Peranan Bioteknologi Dalam Bidang pertanian

Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi,

virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi

untuk menghasilkan barang dan jasa. Dewasa ini, perkembangan bioteknologi tidak hanya

didasari pada biologi semata, tetapi juga pada ilmu-ilmu terapan dan murni lain, seperti biokimia,

komputer, biologi molekular, mikrobiologi, genetika, kimia, matematika, dan lain sebagainya.

Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu

dalam proses produksi barang dan jasa.

Bioteknologi secara sederhana sudah dikenal oleh manusia sejak ribuan tahun yang lalu. Sebagai

contoh, di bidang teknologi pangan adalah pembuatan bir, roti, maupun keju yang sudah dikenal

sejak abad ke-19, pemuliaan tanaman untuk menghasilkan varietas-varietas baru di bidang

pertanian, serta pemuliaan dan reproduksi hewan. Di bidang medis, penerapan bioteknologi di

masa lalu dibuktikan antara lain dengan penemuan vaksin, antibiotik, dan insulin walaupun

masih dalam jumlah yang terbatas akibat proses fermentasi yang tidak sempurna. Perubahan

signifikan terjadi setelah penemuan bioreaktor oleh Louis Pasteur. Dengan alat ini, produksi

antibiotik maupun vaksin dapat dilakukan secara massal.

Pada masa ini, bioteknologi berkembang sangat pesat, terutama di negara negara maju.

Kemajuan ini ditandai dengan ditemukannya berbagai macam teknologi semisal rekayasa

genetika, kultur jaringan, DNA rekombinan, pengembangbiakan sel induk, kloning, dan lain-lain.

Teknologi ini memungkinkan kita untuk memperoleh penyembuhan penyakit-penyakit genetik

maupun kronis yang belum dapat disembuhkan, seperti kanker ataupun AIDS.[4] Penelitian di

bidang pengembangan sel induk juga memungkinkan para penderita stroke ataupun penyakit lain

yang mengakibatkan kehilangan atau kerusakan pada jaringan tubuh dapat sembuh seperti

sediakala. Di bidang pangan, dengan menggunakan teknologi rekayasa genetika, kultur jaringan

dan DNA rekombinan, dapat dihasilkan tanaman dengan sifat dan produk unggul karena

mengandung zat gizi yang lebih jika dibandingkan tanaman biasa, serta juga lebih tahan terhadap

hama maupun tekanan lingkungan. Penerapan bioteknologi di masa ini juga dapat dijumpai pada

pelestarian lingkungan hidup dari polusi. Sebagai contoh, pada penguraian minyak bumi yang

tertumpah ke laut oleh bakteri, dan penguraian zat-zat yang bersifat toksik (racun) di sungai atau

laut dengan menggunakan bakteri jenis baru.

Pertanian secara tradisional merupakan bidang usaha yang bertujuan untuk menghasilkan

kebutuhan hidup seperti makanan, serat, makanan ternak dan bahan – bahan baku untuk industri.

Bidang usaha ini berciri utama penggunaan sumber daya alami seperti tumbuhan, tanah, air,

faktor lingkungan dan dipadukan dengan penggunaan tenaga manusia dan ternak. Hal ini sedikit

demi sedikit berubah ke arah bentuk usaha pertanian yang mempunyai ciri – ciri seperti pada

bidang usaha industri. Perubahan terjadi berkat semakin banyaknya produk – produk ilmu dan

teknologi yang masuk ke dalam bidang usaha pertanian dan memberikan pengaruh pada sistim

produksi bahan makanan dan pertanian di seluruh dunia.

Dalam beberapa dasawarsa terakhir ini produksi hasil pertanian telah meningkat secara luar

biasa, tetapi persediaan pangan yang bergizi bagi penduduk dunia tidak pernah melebihi

kebutuhan. Hal ini mendorong orang untuk memanfaatkan teknologi baru dalam program

pemulian tanaman agar masalah pangan dan gizi yang timbul dapat diatasi. Bioteknologi adalah

penerapan yang didasarkan kepada sistim kehidupan untuk mengembangkan proses dan produk

komersial. Bioteknologi mencakup teknik DNA rekombinan, tranfer gen, manipulasi dan tranfer

embrio, regenerasi tumbuhan, kultur sel, antibodi monoklonal dan rekayasa proses biologi.

Dengan teknik ini, kita dapat memindahkan gagasan ke penerapan praktis. Misalnya kita telah

berhasil mengubah secara genetis sifat tanaman budidaya tertentu untuk meningkatkan daya

tahan terhadap hama dan penyakit tertentu. Bioteknologi mempunyai potensi untuk

meningkatkan produksi tanaman budidaya, peternakan dan pegolahannya secara biologi.

Bioteknologi menyediakan bagi para pakar suatu pendekatan baru untuk mengembangkan

varietas – varietas baru dengan produksi yang lebih tinggi dan lebih bergizi, lebih tahan terhadap

serangan hama dan penyakit, serta terhadap keadaan yang merugikan, atau mengurangi

kebutuhan terhadap pupuk dan bahan – bahan kimia lainnnya.

Bioteknologi bukan sarana untuk mengubah tujuan pertanian sebagai penghasil bahan pangan,

serat kayu dan produk lainnya, melainkan lebih tepat untuk meningkatkan produktifitas

pertanian. Bioteknologi dibangun berlandaskan pengertian yang diturunkan dari pengetahuan

dalam bidang biologi, genetika, fisiologi dan biokimia. Sepanjang sejarah perkembangan

pertanian, manusia memanfaatkan proses alami pertukaran genetik melalui pemuliaan yang

menciptakan variasi ciri biologi. Fakta ini melandasi semua upaya untuk memperbaikan varietas

– varietas tanaman pertanian, baik melalui pemuliaan tradisional maupun melalui teknik biologi

molekuler. Dalam kedua metode ini, manusia memanipulasi proses alam untuk menghasilkan

berbagai varietas tanaman yang menunjukan sifat atau ciri khas yang diinginkan, seperti

meningkatkan produksi, tahan terhadap serangan hama dan penyakit, atau ternak dengan

produksi daging yang tinggi dengan kadar lemak yang rendah.

Metoda biologi molekuler dapat menyederhanakan masalah ini dengan memanipulasi gen satu

persatu. Tanpa bergantung pada terjadinya rekombinasi sejumlah besar gen, para ilmuwan dapat

menyisipkan satu persatu gen untuk sifat spesifik secara langsung ke dalam genom yang telah

terbentuk. Para ilmuwan dapat pula mengendalikan ekspresi gen dalam varietas tanaman baru.

Transfer gen molekuler dapat memperpendek waktu yang diperlukan untuk mengembangkan

varietas baru dan memberikan ketepatan yang lebih besar untuk sifat yang diinginkan. Selain itu

juga dapat digunakan untuk mempertukarkan gen antara organisme yang tidak dapat disilangkan

secara seksual.

Teknik transfer gen merupakan kunci berbagai penerapan bioteknologi. Inti dari rekayasa genetik

adalah menentukan gen yang dapat mengekspresikan sifat tertentu, kemudian memisahkannya

dan memasukkannya kedalam inang asli atau organisme lain. Teknik ini merupakan sarana yang

digunakan untuk mengetahui sifat dan fungsi gen sebagai pengatur pertumbuhan dan

pengembangan, pengaturan komunikasi antar sel dan antar organisme.

Pemuliaan Tanaman

Perkembangan dan kemajuan yang dicapai dalam bidang biologi molekuler telah melahirkan dan

berkembangnya teknologi rekombinan DNA atau yang dikenal dengan sebutan rekayasa genetik

. Rekayasa genetik atau rekombinan DNA adalah suatu kumpulan teknik - teknik eksperimental

yang memungkinkan peneliti untuk mengisolasi, mengidentifiksi dan melipatgandaan suatu

fragmen dari material genetik (DNA) dalam bentuk murninya. Manipulasi – manipulasi tersebut

dilakukan secara in vitro dengan menggunakan material – material biologi

Penggunaan kultur jaringan untuk pembiakan klonal didasarkan pada anggapan bahwa jaringan

secara genetik tetap stabil jika dipisahkan dari tumbuhan induk dan ditempatkan dalam kultur.

Pendapat ini sebahagian besar berlaku jika tumbuhan dibiakkan dengan kuncup ketiak atau tunas

liar yang secara langsung dipisahkan dari tanaman. Walaupun demikian, apabila tunas terbentuk

dari jaringan kalus, sering terjadi penyimpangan (Chaleff, 1984).

Protoplas sel totipoten tanpa dinding sel dapat dihasilkan dengan mudah dan telah dirancang

suatu metode untuk menumbuhkannya menjadi jaringan kalus dan dilanjutkan menjadi tanaman

kecil yang dapat dikembangbiakan secara konvensional. Protoplas dapat dipisahkan dari jaringan

tanaman, termasuk akar, daun, buah, serbuk sari, bintil akar kacangan, organ penyimpanan dan

jaringan kalus. Jaringan daun sering digunakan karena hasil protoplas dari sumber ini cukup

tinggi dan seragam. Protoplas sering menghasilkan jaringan kalus yang kemudian dari kalus ini

diregenerasikan suatu tumbuhan yang lengkap. Sayangnya , keberhasilan metoda ini kecil

peluangnya untuk tanaman kacang-kacangan dan padi – padian. Belakangan ini kemungkinan

tanaman Medicago sativa (Alfafa) untuk beregenerasi dari protoplasma menjadi tumbuhan

lengkap peluangnya cukup tinggi dalam kondisi pertumbuhan yang relatif sederhana. Hal ini

memberi petunjuk penting bahwa usaha dibidang kacang-kacangan akan dapat berkembang lebih

cepat. Sebegitu jauh kita masih belum mampu untuk mengembangkan tumbuhan dari jenis padi –

padian dan kacang – kacangan melalui pertumbuhan protoplasma.

Manfaat penting dari protoplasma dalam pemuliaaan tanaman terletak pada beberapa sifatnya,

yaitu : (1) protoplas dapat dihasilkan dan disaring untuk membentuk banyak variasi. Meskipun

protoplas yang terbentuk secara genetik bersifat homogen, tetapi kalus yang merupakan

keturunannya dapat menjadi tanaman yang menunjukan perbedaan sifat-sifat yang cukup besar ,

(2) tidak adanya dinding sel memudahkan fusi antara protoplas dan dengan demikian mengawali

terjadinya pembastaran. Fakta bahwa fusi dapat terjadi antara sel somatik yang bersifat diploid

yang memungkinkan pemulia tanaman merancang suatu teknik dengan baik, (3) tidak adanya

dinding sel juga memudahkan penyerapan DNA, sebagai fragmen atau plasmid yang berasal dari

bakteri, untuk menghasilkan tanaman dengan sifat-sifat yang baru sama sekali.

Meskipun tanaman yang diperbanyak secara vegetatif (klon) umumnya mirip induknya, tetapi

tidak berarti, bahwa semua klon secara genetik bersifat serupa. Klon yang berbeda secara nyata

dari induknya dapat terjadi, dan dikenal sebagai varian somatik dan merupakan hasil perubahan

genetik pada sel merismatik yang menghasilkan semua atau sebagian tumbuhan baru. Dalam hal-

hal tertentu varian somatik dapat menjadi varietas baru yang penting, misalnya pada jeruk manis.

Beberapa mekanisme genetik dapat menyebabkan terjadinya variasi somatik, antara lain :

perubahan jumlah kromosom dalam inti, mutasi gen tunggal, seperti kloroplas dan mitokondria.

Meskipun fusi protoplas tumbuhan diketahui jarang terjadi, namun Power dan kawan – kawan

tahun 1970, berhasil merancang suatu metode untuk mengendalikan fusi yang dapat diulang, dan

dengan demikian menemukan langkah awal untuk pembastaran somatik pada tumbuhan.

Suspensi protoplas dalam 0,25 mol/l larutan natrium nitrat dapat menginduksi fusi yang cepat.

Larutan 10,2% sukrosa, 5,5% natrium nitrat dan kalsium klorida dapat digunakan untuk

menginduksi fusi protoplas Parthenocissus tricuspidata dengan protoplas Petunia hibrida.

Tahap berikutnya adalah membangkitkan bastar somatik dengan teknik fusi protoplasma yaitu

dengan : (1) isolasi protoplasma, fusi, pembentukan kembali dinding sel, fusi inti untuk

mendapatkan inti bastar sejati, pertumbuhan sel bastar dalam kultur, dan akhirnya pembentukan

tumbuhan secara lengkap.

Pada umumnya, fusi kloroplas tumbuhan mudah dicapai, meskipun tidak mudah untuk

menumbuhkan sel bastar dengan memuaskan. Dari hal ini jelaslah bahwa protoplas bastar yang

hanya sedikit terdapat dalam campuran sel perlu dipisahkan dan mendorong perkembangannya

melalui prosedur seleksi. Sebagai contoh pembastaran somatik antara Petunia hybrida dengan

Petunia parodii, yang prosedur seleksinya memanfaatkan adanya perbedaan kekuatan potensi

pertumbuhan antara protoplas daun kedua jenis tumbuhan ini. Protoplas Petunia parodii paling

tinggi hanya dapat membentuk kalus kecil yang terdiri dari lebih kurang lima puluh sel pada

media, sedangkan protoplas Petunia hybrida terus menerus membentuk kalus. Sebaliknya dari

kepekaannya terhadap aktinomisin D, Petunia hybrida lebih peka terhadap aktinomisin D dari

protoplas Petunia parodi .

Inti campuran (heterokarion) yang terjadi pada fusi dua protoplas yang tidak sama dapat

berkembang menjadi sel bastar dengan fusi inti. Dengan cara ini semua organel dari kedua

protoplas pembawa gen yang dapat mengadakan seleksi sendiri, digabung, sedangkan pada

persilangan seksual biasa, satu inti yang membawa gen kromosomal (karyom) yang berasal dari

masing – masing induk, tetapi bisanya gen yang diwariskan melalui plastida (plastidom) dan gen

yang diwariskan melalui mitokondria (kondriom) hanya berasal dari induk betina. Dengan

demikian, teknik fusi protoplasma memberikan kesempatan untuk menghasilkan kombinasi dua

genom induk yang lengkap.

Salah satu keuntungan utama yang diberikan oleh kultur untuk percobaan genetik dengan

tumbuhan lebih tinggi adalah bahwa kultur sel itu memungkinkan seleksi langsung untuk

memperoleh fenotipe baru dari sejumlah besar populasi sel yang ditumbuhkan pada kondisi

tertentu dan dari segi fisiologis dan perkembangan bersifat seragam. Jutaan sel, masing – masing

mempunyai potensi untuk menjadi tumbuhan dapat dikulturkan dalam satu cawan petri.

Berbagai metoda telah dikembangkan dan digunakan untuk membuat tanaman transgenik,

termasuk diantaranya penggunaan plasmid Ti dengan Agrobacterium tumefaciens. Metoda lain

yang juga telah dikembangkan adalah metoda gen transfer menggunakan kloroplas, mikroinjeksi

DNA, elektroforasi, penembakkan dengan mikroproyektil (Uchimiya, 1989)

Agrobacterium tumefacien efektif digunakan sebagai sistim transfer gen tanaman dikotil,

meskipun tidak semua tanaman dikotil menunjukkan respon yang sama terhadap sistim

tranformasi ini. Kedelai misalnya termasuk spesies tanaman yang sulit direkayasa dengan

Agrobacterium. Kekurangan yang mencolok dalam sistim ini adalah kesulitan dengan tanaman

monokotil, terutama golongan serelia seperti : padi, jagung, gandum dan lain – lain yang tidak

dapat ditransformasi dengan Agrobacterium (Wu, 1990).

Teknik – teknik gen transfer berkembang dengan cepat dan terus disempurnakan. Dalam

beberapa tahun terakhir, gen transfer pada tanaman sudah merupakan kegiatan rutin yang

dilakukan di beberapa laboratorium di dunia. metoda yang efisien dalam mengklon gen, teknik

transformasi, regenerasi tanaman, ketersediaan konstruksi – konstruksi gen baru, sistim vektor

yang terus dikembangkan, promotor yang spesifik untuk organ tertentu untuk ekspresi gen

adalah faktor – faktor yang berperan dalam memproduksi tanaman transgenik.

Pada awalnya, gen yang banyak dipakai dalam transfer tanaman adalah gen – gen reporter yang

fungsinya lebih banyak untuk uji pengembangan teknik transfer itu sendiri, atau mempelajari

kemampuan sekuens pengendali dalam mengendalikan ekspresi suatu gen di dalam sel tanaman.

Kemudian terus dikembangkan transfer klon gen yang mengendalikan karakter – karakter yang

mempunyai nilai ekonomis sejalan dengan tersedianya klon gen tersebut. Karakter – karakter

tersebut diantaranya adalah gen untuk ketahanan terhadap serangga, gen untuk ketahanan

terhadap penyakit virus dan bakteri, gen ketahanan terhadap herbisida, toleransi terhadap

salinitas, kekeringan dan peningkatan kualitas nutrisi.

Tabel 1. Beberapa vektor kloning dan penggunaannya

Penggunaan Vektor *)

1 2 3 4 5 6

Mengklon fragmen besar

Kontruksi pustaka genom

Konstruksi pustaka cDNA

Sub cloning rutin

Pembuatan konstruksi

Vektor ekspresi

Sekuensing

Probe utas tunggal

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

*) 1 = Plasmid prokariotik

2 = Bakterifage lamda

3 = Kosmid

4 = Filamentous fage

5 = Virus eukariot

6 = Plasmid eukariot

Program pemuliaan tanaman pertanian untuk ketahanan terhadap virus telah banyak dilakukan.

Target dari sifat resistensi tersebut menurut Hull (1990) dapat dikelompokkan kedalam : (1)

memberikan resistensi terhadap transmisi, (2) resistensi untuk pekembangan penyakit

(pencegahan replikasi virus, penyebaran virus, dan lokalisasi infeksi dengan atau tanpa

nekrosis)., (3) resistensi terhadap perkembangan gejala penyakit (toleran).

Perkembangan teknologi rekombinan DNA telah memberikan harapan baru dalam mengatasi

masalah virus tanaman. Pada tahun 1985, Sanford dan Johston memperkenalkan suatu konsep

baru penggunaan teknik rekayasa genetik dalam mengembangan resistensi terhadap

mikroorganisme, dimana gen yang sudah dimodifikasi dari suatu patogen dapat memberikan

resistensi tanaman dengan menganggu proses hidup patogen tersebut.

Sampai saat ini ada tiga bentuk resistensi non – konvensional terhadap virus yang telah

dikembangkan yaitu : (1) penggunaan sekuens RNA satelit, Sekuens RNA antisens dan gen

penyandi protein pembungkus virus. (virus coat protein gen – gen VCP).

Perkembangan teknologi rekombinan DNA juga memungkinkan dilakukannya manipulasi

rekayasa genetik untuk mendapatkan tanaman yang toleran terhadap herbisida sehingga dapat

meningkatkan keselamatan dan produksi tanaman. Menurut Oxtoby dan Hughes (1990), metoda

untuk merekayasa resistensi tanaman terhadap herbisida dapat dibedakan ke dalam dua

kelompok pendekatan yaitu : (1) merubah tingkat sensitifitas dari enzim yang merupakan target

herbisida dalam tanaman yakni dengan memanfaatkan gen mutan yang timbul spontan dialam

dan mengintroduksi gen tersebut kedalam genom kloroplast, (2) Mengintroduksi gen pengkode

enzim yang dapat menetralisir (menghilangkan) sifat racun herbisida dalam tanaman seperti

enzim oksidase, amilase dan decarboxylase.

Teknologi rekombinan DNA dapat juga digunakan untuk merakit tanaman yang resisten

terhadap serangga hama yakni dengan memanfaatkan bakteri Bacillus thuringiensis yang

merupakan jenis bakteri yang mampu menghasilkan suatu protein kristal yang bersifat racun

terhadap serangga. Aktifitas bioinsektisida dari Bacillus thuringiensis ini spesifik terhadap

spesies serangga tertentu dan tidak toksik terhadap hewan (Spear, 1987). Lebih dari 3.000 isolat

alami Bacillus thuringiensis yang diseleksi oleh Genetic System N.V. Belgium, hampir

semuanya dilaporkan meracun terhadap larva berbagai Lepidoptera dan 5 larva Coleoptera

(Dekeyser, 1991).

Gen penghasil toksin pada Bacillus thuringiensis di klon dan di tranfer ke tanaman budidaya

yang banyak diusahakan. Menurut Dekeyser (1991) tanaman tembakau, tomat dan kentang

transgenik yang mengandung gen toksin Bacillus thuringiensis memperlihatkan resistensi

terhadap serangan serangga hama.

Pengendalian Biologi

Pengendalian biologi yang terjadi secara alami di alam yang dapat menekan perkembangan

serangan penyakit tanaman jarang dapat dijelaskan bagaimana mekanisme pengendaliaanya.

Kemajuan penelitian dibidang ini berjalan lambat, karena harus menunggu tersediannya

pengetahuan dasar mengenai perilaku dan sifat populasi campuran di dalam tanah dan

dipermukaan tanaman. Walaupun demikian, ada beberapa sistim pengendalian biologi yang telah

dikembangkan dengan memanfaatkan bioteknologi.

Sifat antagonis jamur Trichoderma sp telah diteliti sejak lama. Inokulasi Trichoderma lignorum

ke dalam tanah dapat menekan serangan penyakit layu yang menyerang di pesemaian, hal ini

disebabkan oleh adanya pengaruh toksin yang dihasilkan jamur ini yang dapat diisolasi dari

biakan yang ditumbuhan di dalam petri. Spesies lain dari jamur ini telah diketahui bersifat

antagonistik atau parasitik terhadap jamur patogen tular tanah yang banyak menimbulkan

kerugian pada tanaman pertanian Tahun 1972, Well dan kawan – kawan melaporkan bahwa

dengan pemberian inokulum Trichoderma harzianum dengan perbandingan inokulum dengan

tanah 1 : 10 v/v dapat mengendalikan penyakit busuk batang dan busuk akar yang disebabkan

oleh jamur Sclerotium rolfsii. Pada tahun 1975, Backman, Rodrigues – Kabana mengembangkan

penelitian tentang pemanfaatan inokulum jamur antagonis ini yang dicampurkan dengan tanah

diatomae yang dilumuri larutan tetes (molase) 10 % untuk membantu pertumbuhan Trichoderma

harzianum . Inokulum jamur ini ternyata dapat mengendalikan penyakit yang disebabkan oleh

Sclerotium rolfsii di lapangan dengan butiran tanah diatomae sebanyak 140 kg/ha sebagai

inokulum, yang hasilnya sebanding dengan perlakuan yang menggunakan pestisida kimia

(Sinner cit Hinggis,1985)

Jamur Trichoderma harzianum dapat mengendalikan penyakit layu semai pada kacang buncis

dan kol pada kondisi rumah kaca, tetapi hasilnya belum mantap untuk skala lapangan. Jamur

Trichoderma hamatum dilaporkan juga dapat menghambat serangan jamur Rhizoctonia solani

dan Phytium sp yang menyerang persemaian tanaman kapri dan lobak.

Jamur Fomes annosus dari kelompok Basidiomycetes yang menyebabkan penyakit busuk pada

inti kayu pada pohon jarum (Picea abies) dapat ditekan serangannya dengan menginokulasikan

jamur antagonis Peniophora gigentea. Jamur antogonis ini dapat mengkolonisasi tunggul

sehingga mencegah terjadinya pembusukan pada kayu inti.

Kelompok bakteri dari Genus Agrobacterium dan Pseudomonas banyak dimanfaatkan sebagai

agen pengendalian biologi. Tidak semua spesies dari genus Agrobacterium merupakan bakteri

patogen. Banyak strain yang diisolasi dari dalam tanah diketahui merupakan strain antagonis

yang dapat menghambat pertumbuhan strain patogen. Kedua strain ini dapat diketahui apakah

bersifat patogen atau antagonis dengan melakukan uji patogenisitas pada tanaman inang. Di

dalam tanah di sekeliling perakaran tanaman yang sakit, perbandingan kedua strain ini sangat

tinggi tetapi pada perakaran tanaman yang sehat perbandinganya rendah sekali (Skinner cit.

Hinggins, 1985).

Bakteri Agrobacterium radiobacter strain K- 84 dapat menghasilkan senyawa antibiotik Agrosin

84 yang mampu menekan pertumbuhan bakteri patogen Agrobacterium tumefacient penyebab

penyakit Crown Gall pada tanaman persik dan mawar. Strain K – 84 ini mengandung plasmid

kecil yang menyandikan produksi agrosin dan plasmid besar yang menyandikan penggunaan

nonpalin yang merupakan asam amino tipe opin yang hanya terdapat dalam jaringan Crown Gall.

Dari percobaan laboratorium didapatkan bahwa bakteri patogen yang resisten terhadap agrosin

ini dapat muncul karena adanya konjugasi antara strain – 84 dan strain patogen. Selama

konjugasi, kedua plasmid dari strain – 84 berpindah secara bebas, sedangkan plasmid Ti pada

patogen, pada sel penerima dapat muncul atau tidak. Dari enam kemungkinan transkonjugan,

tiga mengandung plasmid Ti, dua mengandung plasmid kecil yang bersandikan produksi Agrosin

– 84. Dengan cara manipulasi genetik dapat dikembangkan strain 84 yang tidak dapat melakukan

konjugasi dengan patogen atau mengembangkan strain patogenik penghasil agrosin.

Tabel 1. Beberapa contoh agen hayati yang dapat dimanfaatkan untuk mengendalikan penyakit

tanaman (Wipps, 1977)

Agen hayati Patogen sasaran Penyakit/ Inang

Kelompok bakteri

Agrobacterium radiobacter

Bacillus subtilis

Pseudomonas cepacia

P. fluorescens

Ralstonia solanacearum

(strain avirulen)

Kelompok jamur

Trichoderma viridae

Trichoderma harzianum

Peniophora gigentea

F. oxysporum (non patogen)

Gliocladium virens

Phytium oligandrum

Agrobacterium tumefaciens

Rizoctonia solani, Phytium

.sp, Fusarium spp

Fusarium spp, R.. solani

F. oxysporum

Ralstonia solanacearum strain

virulen

Fusarium, spp; Phytium spp,

R. solani

Fusarium, spp; Phytium spp,

R. solani

Heterobasidon annosum

F. oxysporum f.sp. batatas

P. ultimum, R. solani

P. ultimum

Crown gall / Rose, Apel

dan Pear

Rebah semai / Padi,

Kapas dan Legum

Rebah semai / Kapas

Jagung dan sayuran

Layu dan rebah semai /

sayuran

Layu/ Tomat, kentang

Busuk akar/rebah

semai, layu/ sayuran

Busuk akar/ layu/

sayuran

Busuk batang dan akar

cemara

Layu fusarium/ubi jalar

Rebah semai/ sayuran

Rebah semai/ bet gula

Penambatan Nitrogen Nitrogen adalah unsur yang diperlukan untuk membentuk senyawa penting di dalam sel,

termasuk protein, DNA dan RNA. Tanaman harus mengekstraksi kebutuhan nitrogennya dari

dalam tanah. Sumber nitrogen yang terdapat dalam tanah, makin lama makin tidak mencukupi

kebutuhan tanaman, sehingga perlu diberikan pupuk sintetik yang merupakan sumber nitrogen

untuk mempertinggi produksi. Keinginan menaikkan produksi tanaman untuk mencukupi

kebutuhan pangan, berakibat diperlukannya pupuk dalam jumlah yang banyak. Industri pupuk

yang ada belum dapat memenuhi kebutuhan pupuk yang semakin meningkat. Untuk itu perlu

dicari pupuk nitrogen alternatif dan rekayasa gen hijau kelihatannya dapat memberikan harapan

untuk memenuhi kebutuhan pupuk di masa yang akan datang.

Udara yang menyelubungi bumi mengandung gas nitrogen sebanyak 80 %, sebahagian

besar dalam bentuk N2 yang tidak dapat dimanfaatkan. Tanaman dan kebanyakan mikroba tidak

mempunyai cara untuk mengikat nitrogen menjadi senyawa dalam selnya. Tanaman dan

mikroba umumnya mendapatkan nitrogen dari senyawa seperti ammonium (NH4+) dan nitrat

(NO3-). Untuk memanfaatkan nitrogen dalam bentuk gas, pakar bioteknologi memusatkan

perhatiannya pada hubungan antara tanaman dengan jenis mikroba tertentu yang dapat

menambat nitrogen dari udara dan menyusun atom nitrogen kedalam molekul ammonium, nitrat,

atau senyawa lain yang dapat digunakan oleh tumbuhan (Prentis, 1984).

Tanaman kacang-kacangan seperti buncis, kedelai, akarnya mempunyai bintil – bintil

berisi bakteri yang mampu menambat nitrogen udara, sehingga nitrogen tanah yang telah diserap

tanaman dapat diganti. Simbiosis antara tanaman dan bakteri saling menguntungkan untuk

kedua pihak. Bakteri mendapatkan zat hara yang kaya energi dari tanaman inang sedangkan

tanaman inang mendapatkan senyawa nitrogen dari bakteri untuk melangsungkan kehidupannya.

Bakteri penambat nitrogen yang terdapat didalam akar kacang-kacangan adalah jenis

bakteri Rhizobium. Bakteri ini masuk melalui rambut-rambut akar dan menetap dalam akar

tersebut dan membentuk bintil pada akar yang bersifat khas pada kacang – kacangan. Belum

diketahui sepenuhnya bagaimana rhizobium masuk melalui rambut – rambut akar, terus ke dalam

badan akar dan selanjutnya membentuk bintil – bintil akar.

Tabel 3. Beberapa spesies Rhizobium dan tanaman simbiosanya

Spesies Rhizobium Tanaman simbiosanya

R. leguminasorum

R. phaseoli

R. trifolii

R. melioti

R. lupini

R. japonicum

Rhizobium. spp

Pea (Pisum spp), lentil ( Lens culinaris)

Kacang buncis (Phaseolus vulgaris)

Clover ( Trifolium subteranim)

Alfafa (Medicago sativa)

Lupin (Lupinus, spp)

Kedelai ( Glycine max)

Cowpea (Vigna, spp), kacang tanah

(Desmodium spp)

Untuk menambat nitrogen, bakteri ini menggunakan enzim nitrogenase, dimana enzim ini

akan menambat gas nitrogen di udara dan merubahnya menjadi gas amoniak. Gen yang

mengatur proses penambatan ini adalah gen nif (Singkatan nitrogen – fixation). Gen – gen nif ini

berbentuk suatu rantai , tidak terpencar kedalam sejumlah DNA yang sangat besar yang

menyusun kromosom bakteri, tetapi semuanya terkelompok dalam suatu daerah. Hal ini

memudahkan untuk memotong bagian untaian DNA yang sesuai dari kromoson Rhizobium dan

menyisipkanya ke dalam mikroorganisme lain (Prentis, 1984). Dengan rekayasa genetik telah

berhasil ditransfer gen nif dari bakteri Rhizobium kedalam bakteri Escherechia coli , sehingga E.

coli mampu untuk menambat nitrogen. Dalam percobaan ini tidak menggunakan gen Rhizobium,

tetapi gen nif yang berasal dari Klebsiella pneumoniae, yang merupakan bakteri tanah yang

hidup bebas pada tanaman inang. Bakteri ini mempunyai lebih kurang 17 gen nif dan gen nif ini

dapat ditransfer ke bakteri lain. Fenomena ini memberi harapan di masa yang akan datang untuk

mentransfer gen – gen tadi ke dalam gen bakteri yang terdapat diperakaran gandum dan padi-

padian yang diketahui tidak dapat menambat nitrogen.

Suatu harapan yang menarik adalah usaha untuk menyisipkan gen nif secara langsung

kedalam tanaman, tanpa melibatkan mikroba penambat nitrogen, seperti yang telah dilakukan

pada gen insulin pada manusia kedalam bakteri E. coli. Dalam masalah ini telah dicapai

kemajuan yang cukup besar dengan memanfaatkan vektor eukariotik, yaitu potongan yang dapat

menjadi jembatan masuknya DNA asing ke dalam sel eukariotik, dalam hal ini adalah bakteri

Agrobacterium tumefasiens penyebab crown gall yang mempunyai plasmid Ti (Tumor inducing

plasmid) yang dapat merangsang sel inang untuk tumbuh secara luas biasa.

Penelitian terhadap Rhizobium yang berasosiasi dengan kedelai mengungkapkan bahwa

banyak diantara bakteri ini yang mengandung gen hup (gen penyerap nitrogen). Gen ini

berfungsi untuk mendaur ulang gas nitrogen kembali ke sistim nitrogenase yang menambat

nitrogen. Jadi memanfaatkan energi pada hidrogen yang apabila tidak dimanfaatkan oleh

tumbuhan, energi ini akan hilang.

Penggunaan langsung hasil penelitian ini adalah dengan mengintroduksi gen hup

kedalam strain Rhizobium yang tidak mempunyai gen ini. Gen hup pada strain Rhizobium yang

lain terdapat pada plasmida, apabila plasmida pembawa hup ini terdapat pada Rhizobium, maka

plasmid pembawa gen ini dapat ditransfer dari satu strain ke strain lain.

Gen lain yang menjadi perhatian pakar rekayasa genetik adalah gen osm, yang

mempunyai kaitan dengan kemampuan tumbuhan untuk menahan tekanan - tekanan

(stres) dari lingkungannya, seperti : tidak adanya air, temperatur yang panas atau dingin, dan

kadar garam di dalam tanah yang tinggi. Semua faktor ini mengakibatkan air dalam sel

tumbuhan dipaksa masuk atau keluar dengan proses osmosis. Banyak lahan di seluruh dunia

tidak dapat dimanfaatkan untuk pertanian karena adanya faktor pembatas seperti : suhu yang

rendah, tidak tersedianya air dan kandungan garam yang tinggi. Sasaran untuk masa yang akan

datang adalah mengintroduksikan gen osm ke dalam tanaman budidaya dengan tujuan untuk

membuka lahan tandus yang luas untuk pertanian (Prentis, 1984)

Tumbuhan yang nilai ekonominya yang rendah seperti gulma, sering memperlihatkan

ketahanan terhadap faktor – faktor lingkungan yang tidak menguntungkan.

Rhizobakteria Rhizobakteria merupakan kelompok bakteri yang hidup dan berkembang di daerah rizofer

tanaman. Kelompok rhizobakteria ini diketahui dapat merangsang pertumbuhan tanaman

sehingga produksi tanaman dapat meningkat. Hellriegel dan Wilfarth (1889) merupakan peneliti

pertama yang melaporkan manfaat dari kelompok bakteri ini dalam meningkatkan pertumbuhan

dan produksi tanaman kacang – kacangan, sejak saat itu berkembanglah penelitian – penelitian

untuk mencari mikroorganisme yang dapat meningkatkan produksi tanaman

Beberapa kelompok bakteri yang dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan produksi

tanaman adalah : (a) Rhizobium (bakteri penambat N2 yang bersimbiosis dengan kacang –

kacangan, (b) Azotobakter, Azospirillum (bakteri penambat N2 yang tidak bersimbiosis dengan

tanaman, (c) Bacillus subtilis, B. polymixa (bakteri penghasil senyawa yang dapat melarutkan

fosfat tanah), (d) Clostridium dan (e) Pseudomonas fluorescens dan P. putia.

Beberapa keuntungan dengan memanfaatkan kelompok mikroorganisme ini adalah : (a)

tidak mempunyai bahaya atau efek sampingan, (b) Efisiensi penggunaan yang dapat

ditingkatkan sehingga bahaya pencemaran lingkungan dapat dihindari, (c) harganya yang relatif

murah, dan (d) Teknologinya yang sederhana. Pemanfaatan kelompok mikroorganisme ini telah

diterapkan di negara – negara maju dan beberapa negara berkembang.

Potensi penggunaan rizobakteria sebagai inokulan telah banyak mendapat perhatian dari

pakar mikrobiologi tanah dan penyakit tanaman, karena sifat dari rizobakteria ini sangat agresif

dalam mengkolonisasi akar menggantikan tempat mikroorganisme yang dapat menimbulkan

penyakit pada tanaman. (Burr, 1978). Hubungan antara tanaman dan mikroorganisme terjadi di

daerah rizosfer, mikroorganisme dapat hidup dari substrak yang dikeluarkan oleh tanaman

melalui akar ataupun tanaman yang mati, disamping itu dapat juga merangsang pengeluaran

unsur hara dari akar (Vancura, 1964), dapat menghasilkan senyawa – senyawa yang

mempercepat pertumbuhan (Bowen dan Rovira, 1961).

Mikoriza Vesikular – Arbuskular

Mikoriza Vesikular – Arbuskular (MVA) merupakan asosiasi antara jamur tertentu

dengan akar tanaman membentuk jalinan interaksi yang komplek. Peranan MVA dalam

meningkatkan pertumbuhan dan produksi tanaman telah banyak dilaporkan dan dari hasil

penelitian belakangan ini banyak laporan yang memuat aplikasi dan usaha produksi inokulan

MVA yang diusahakan secara komersil.

Berdasarkan struktur dan cara jamur menginfeksi akar, mikoriza dapat dikelompokan

menjadi Ektomikoriza (jamur yang menginfeksi tidak masuk ke dalam sel akar tanaman dan

hanya berkembang diantara dinding sel jaringan korteks, akar yang terinfeksi membesar dan

bercabang), Endomikoriza (Jamur yang menginfeksi masuk ke dalam jaringan sel korteks dan

akar yang terinfeksi tidak membesar).

Peranan penting MVA dalam pertumbuhan tanaman adalah kemampuannya untuk

menyerap unsur hara baik makro maupun mikro. Selain itu akar yang mempunyai mikoriza

dapat menyerap unsur hara dalam bentuk terikat dan yang tidak tersedia bagi tanaman. Hifa

eksternal pada mikoriza dapat menyerap unsur fosfat dari dalam tanah, dan segera diubah

menjadi senyawa polifosfat. Senyawa polifosfat kemudian dipindahkan ke dalam hifa dan

dipecah menjadi fosfat organik yang dapat diserap oleh sel tanaman. Efisiensi pemupukan P

sangat jelas meningkat dengan penggunaan mikoriza. Hasil penelitian Mosse (1981)

menunjukkan bahwa tanpa pemupukan TSP, produksi singkong pada tanaman yang tidak

bermikoriza kurang dari 2 gr, sedangkan pada tanaman bermikoriza hampir 4 gr (Tabel. 4).

Tanaman yang mempunyai mikoriza cenderung lebih tahan terhadap kekeringan

dibandingkan dengan tanaman yang tidak mempunyai mikoriza. Rusaknya jaringan kortek

akibat kekeringan dan matinya akar tidak permanen pengaruhnya pada akar yang bermikoriza.

Setelah priode kekurangan air, akar yang bermikoriza akan cepat kembali normal. Hal ini

disebabkan karena hifa jamur mampu menyerap air yang ada pada pori – pori tanah saat akar

tanaman tidak mampu lagi menyerap air. Penyerapan hifa yang sangat luas di dalam tanah

menyebabkan jumlah air yang diambil akan meningkat.

Akar tanaman yang terbungkus oleh mikoriza akan menyebabkan akar tersebut terhindar

dari serangan hama dan penyakit. Infeksi patogen akar akan terhambat, disamping itu mikoriza

akan menggunakan semua kelebihan karbohidrat dan eksudat akar lainnya, sehingga tercipta

lingkungan yang tidak cocok bagi pertumbuhan patogen. Dipihak lain, jamur mikoriza ada yang

dapat melepaskan antibiotik yang dapat mematikan patogen. Mikoriza dapat mengurangi

perkembangan penyakit busuk akar yang disebabkan oleh Phytopthora cinamomi dan dapat juga

menekan serangan nematoda bengkak akar (Max, 1982). Beberapa hasil penelitian juga

menunjukkan bahwa jamur mikoriza dapat menghasilkan hormon seperti sitokinin, giberalin dan

vitamin.

Teknologi Kompos Bioaktif Salah satu masalah yang sering ditemui ketika menerapkan pertanian organik adalah

kandungan bahan organik dan status hara tanah yang rendah. Petani organik mengatasi masalah

tersebut dengan memberikan pupuk hijau atau pupuk kandang. Kedua jenis pupuk itu adalah

limbah organik yang telah mengalami penghacuran sehingga menjadi tersedia bagi tanaman.

Limbah organik seperti sisa-sisa tanaman dan kotoran binatang ternak tidak bisa langsung

diberikan ke tanaman. Limbah organik harus dihancurkan/dikomposkan terlebih dahulu oleh

mikroba tanah menjadi unsur hara yang dapat diserap oleh tanaman. Proses pengkomposan alami

memakan waktu yang sangat lama, berkisar antara enam bulan hingga setahun sampai bahan

organik tersebut benar-benar tersedia bagi tanaman.

Proses pengomposan dapat dipercepat dengan menggunakan mikroba penghancur

(dekomposer) yang berkemampuan tinggi. Penggunaan mikroba dapat mempersingkat proses

dekomposisi dari beberapa bulan menjadi beberapa minggu saja. Di pasaran saat ini banyak

tersedia produk-produk biodekomposer untuk mempercepat proses pengomposan, misalnya:

SuperDec, OrgaDec, EM4, EM Lestari, Starbio, Degra Simba, Stardec, dan lain-lain.

Kompos bioaktif adalah kompos yang diproduksi dengan bantuan mikroba

lignoselulolitik unggul yang tetap bertahan di dalam kompos dan berperan sebagai agensia hayati

pengendali penyakit tanaman. SuperDec dan OrgaDec, biodekomposer yang dikembangkan oleh

Balai Penelitian Bioteknologi Perkebunan Indonesia (BPBPI), dikembangkan berdasarkan

filosofi tersebut. Mikroba biodekomposer unggul yang digunakan adalah Trichoderma

pseudokoningii , Cytopaga sp, dan fungi pelapuk putih. Mikroba tersebut mampu mempercepat

proses pengomposan menjadi sekitar 2-3 minggu. Mikroba akan tetap hidup dan aktif di dalam

kompos. Ketika kompos tersebut diberikan ke tanah, mikroba akan berperan untuk

mengendalikan organisme patogen penyebab penyakit tanaman.

Biofertilizer

Petani organik sangat menghindari pemakaian pupuk kimia. Untuk memenuhi kebutuhan

hara tanaman, petani organik mengandalkan kompos sebagai sumber utama nutrisi tanaman.

Sayangnya kandungan hara kompos rendah. Kompos matang kandungan haranya kurang lebih :

1.69% N, 0.34% P2O5, dan 2.81% K. Dengan kata lain 100 kg kompos setara dengan 1.69 kg

Urea, 0.34 kg SP 36, dan 2.18 kg KCl. Misalnya untuk memupuk padi yang kebutuhan haranya

200 kg Urea/ha, 75 kg SP 36/ha dan 37.5 kg KCl/ha, maka membutuhkan sebanyak 22 ton

kompos/ha. Jumlah kompos yang demikian besar ini memerlukan banyak tenaga kerja dan

berimplikasi pada naiknya biaya produksi.

Mikroba-mikroba tanah banyak yang berperan di dalam penyediaan maupun penyerapan

unsur hara bagi tanaman. Tiga unsur hara penting tanaman, yaitu Nitrogen (N), fosfat (P), dan

kalium (K) seluruhnya melibatkan aktivitas mikroba. Hara N tersedia melimpah di udara. Kurang

lebih 74% kandungan udara adalah N. Namun, N udara tidak dapat langsung dimanfaatkan

tanaman. N harus ditambat oleh mikroba dan diubah bentuknya menjadi tersedia bagi tanaman.

Mikroba penambat N ada yang bersimbiosis dan ada pula yang hidup bebas. Mikroba penambat

N simbiotik antara lain : Rhizobium sp yang hidup di dalam bintil akar tanaman kacang-kacangan

( leguminose ). Mikroba penambat N non-simbiotik misalnya: Azospirillum sp dan Azotobacter

sp. Mikroba penambat N simbiotik hanya bisa digunakan untuk tanaman leguminose saja,

sedangkan mikroba penambat N non-simbiotik dapat digunakan untuk semua jenis tanaman.

Mikroba tanah lain yang berperan di dalam penyediaan unsur hara adalah mikroba pelarut

fosfat (P) dan kalium (K). Tanah pertanian kita umumnya memiliki kandungan P cukup tinggi

(jenuh). Namun, hara P ini sedikit/tidak tersedia bagi tanaman, karena terikat pada mineral liat

tanah. Di sinilah peranan mikroba pelarut P. Mikroba ini akan melepaskan ikatan P dari mineral

liat dan menyediakannya bagi tanaman. Banyak sekali mikroba yang mampu melarutkan P,

antara lain: Aspergillus sp, Penicillium sp, Pseudomonas sp dan Bacillus megatherium. Mikroba

yang berkemampuan tinggi melarutkan P, umumnya juga berkemampuan tinggi dalam

melarutkan K.

Kelompok mikroba lain yang juga berperan dalam penyerapan unsur P adalah Mikoriza

yang bersimbiosis pada akar tanaman. Setidaknya ada dua jenis mikoriza yang sering dipakai

untuk biofertilizer, yaitu: ektomikoriza dan endomikoriza. Mikoriza berperan dalam melarutkan

P dan membantu penyerapan hara P oleh tanaman. Selain itu tanaman yang bermikoriza

umumnya juga lebih tahan terhadap kekeringan. Contoh mikoriza yang sering dimanfaatkan

adalah Glomus sp dan Gigaspora sp.

Beberapa mikroba tanah mampu menghasilkan hormon tanaman yang dapat merangsang

pertumbuhan tanaman. Hormon yang dihasilkan oleh mikroba akan diserap oleh tanaman

sehingga tanaman akan tumbuh lebih cepat atau lebih besar. Kelompok mikroba yang mampu

menghasilkan hormon tanaman, antara lain: Pseudomonas sp dan Azotobacter sp. Mikroba-

mikroba bermanfaat tersebut diformulasikan dalam bahan pembawa khusus dan digunakan

sebagai biofertilizer. Hasil penelitian yang dilakukan oleh BPBPI mendapatkan bahwa

biofertilizer setidaknya dapat mensuplai lebih dari setengah kebutuhan hara tanaman.

Biofertilizer yang tersedia di pasaran antara lain: Emas, Rhiphosant, Kamizae, OST dan

Simbionriza

.

Jenis-jenis Mikroorganisme yang Dimanfaatkan untuk Meningkatkan Produk Pangan

No. Bahan Pangan Mikroorganisme Golongan Produk

1 Susu

Lactobacillus bulgaricus

Streptococcus

termophillus

Streptococcus lactis

Panicillium requiforti

Propioni bacterium

Lactobacillus casei

Bakteri

Bakteri

Bakteri

Jamur

Bakteri

Bakteri

Yoghurt

Yoghurt

Mentega

Keju

Keju Swiss

Susu asam

2 Kedelai

Rhizopus oligosporus

Rhizopus stoloniferus

Rhizopus oryzae

Aspergillus oryzae

Jamur

Jamur

Jamur

Jamur

Tempe

Tempe

Tempe

Kecap

3 Kacang tanah Neurospora sitophyla Jamur Oncom

4 Beras

Saccharomyces

cereviseae

Endomycopsis

fibulegera

Jamur

Jamur Tape Ketan

5 Singkong

Saccharomyces

elipsoides

Endomycopsis

fibulegera

Jamur

Jamur Tape singkong

6 Air kelapa Acetobacter xylinum Bakteri Nata de coco

7 Tepung gandum Saccharomyces

elipsoides Jamur Roti

8 Kubis Enterobacter sp. Bakteri Asinan

9 Padi-padian atau umbi-

umbian

Saccharomyces

cereviseae

Saccharomyces

caelsbergensis

Jamur Minuman

beralkohol

10 Mikroorganisme Spirulina

Chlorella

Alga bersel

satu

Protein sel

tunggal

Daftar Pustaka

http://id.wikipedia.org/wiki/Bioteknologi http://www.rudyct.com/PPS702-ipb/03112/u_khairul.htm http://www.ipard.com/art_perkebun/feb21-05_isr-I.asp http://firman94.multiply.com/journal/item/75