yang dapat ditangkap lebih tinggi karena selain bidang tangkapan lebih besar, jumlah cahaya yang direfleksikan juga sedikit. Peningkatan luas daun

Transkripsi

1 PEMBAHASAN UMUM Tanaman kedelai (Glycine max (L) Merrill) termasuk kelompok tanaman C-3 yang dalam proses pertumbuhan dan perkembangannya memerlukan cahaya penuh (McNellis dan Deng 1995). Namun dalam pertanian tropika seperti di Indonesia, kedelai diadopsi ke dalam sistem pertanaman ganda (multiple cropping system), karena lahan pertanian monokultur semakin sempit, di sisi lain areal perkebunan semakin meningkat sehingga memungkinkan untuk mengembangkan kedelai sebagai tanaman sela (Chozin 2006). Kedelai berfotosintesis pada kisaran radiasi cal.cm -2.min -1 dan fotosintesis maksimum tercapai pada radiasi sekitar 0.43 cal.cm -2.min -1 (White dan Izquierdo 1993). Dalam sistem tanaman sela, radiasi yang dapat dimanfaatkan untuk proses fotosintesis berkurang, sehingga kedelai yang akan dikembangkan sebagai tanaman sela harus dapat menangkap dan menggunakan cahaya secara efisien agar dapat memperoleh hasil biji yang tinggi. Dalam penelitian ini, intensitas cahaya pada areal terbuka mencapai 0.84 cal.cm -2.min -1 atau sekitar 2500 µmol.m -2.s -1 sedangkan dalam naungan paranet 50% hanya mencapai 0.40 cal.cm -2.min -1 atau sekitar 1200 µmol.m -2.s -1. Kemampuan tanaman untuk tumbuh dan berkembang dalam kondisi intensitas cahaya rendah diperoleh dengan mengembangkan mekanisme penghindaran (avoidance) yang melibatkan adaptasi pada level morfo-anatomi untuk efisiensi penangkapan cahaya dan mekanisme toleransi (tolerance) untuk penggunaan cahaya secara efisien yang melibatkan penyesuaian pada level biokimia dan fisiologi termasuk perubahan kandungan pigmen, laju fotosintesis, laju transpor elektron, laju respirasi, asimilat, dan aktivitas enzim. Mekanisme avoidance untuk efisiensi penangkapan cahaya diperoleh dengan cara meningkatkan luas bidang tangkapan, mengurangi jumlah cahaya yang direfleksikan dan yang ditransmisikan, dan mengurangi penangkapan cahaya oleh pigmen non fotosintetik (Levitt 1980). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa genotipe toleran intensitas cahaya rendah terutama genotipe Ceneng memiliki daya adaptasi yang lebih tinggi dengan memiliki daun yang lebih luas dan tipis, kerapatan trikoma yang lebih rendah. Daun yang luas dengan trikoma sedikit memungkinkan jumlah cahaya

2 134 yang dapat ditangkap lebih tinggi karena selain bidang tangkapan lebih besar, jumlah cahaya yang direfleksikan juga sedikit. Peningkatan luas daun menyebabkan daun menjadi tipis karena adanya pengurangan lapisan palisade. Modifikasi demikian memungkinkan distribusi kloroplas yang lebih merata dengan kandungan klorofil yang lebih tinggi sehingga cahaya yang ditransmisikan dapat dikurangi (Lee et al. 2000, Khumaida 2002, Sopandie et al. 2003a, 2003b, Tyas 2006). Dalam intensitas cahaya rendah, genotipe toleran Ceneng memiliki kandungan klorofil a terutama klorofil b yang lebih tinggi. Peningkatan kandungan klorofil tersebut memungkinkan pemanenan cahaya yang lebih tinggi (Khumaida 2002, Khumaida et al. 2003). Cahaya yang ditangkap oleh pigmen non fotosintesis seperti antosianin tidak dimanfaatkan dalam proses fotosintesis (Levitt 1980) sehingga keberadaan pigmen tersebut dalam intensitas cahaya rendah akan merugikan tanaman. Namun demikian, hasil penelitian ini memperlihatkan bahwa pada intensitas cahaya rendah kandungan antosianin meningkat bahkan peningkatan tertinggi terjadi pada genotipe toleran Ceneng. Diduga hal ini terjadi sebagai akibat pengaruh tidak langsung suhu rendah, karena pada intensitas cahaya rendah, suhu juga rendah. Salisbury dan Ross (1992) serta Hoch et al. (2003) menjelaskan bahwa salah satu faktor lingkungan yang menstimulir sintesis antosianin adalah suhu rendah. Selain itu, pada cahaya penuh, antosianin hanya ditemukan pada vakuola sel epidermis (Hopkins dan Huner 2004) sedangkan pada intensitas cahaya rendah, antosianin ditemukan pada vakuola sel epidermis dan sel-sel mesofil (Woodall et al. 1998, Gould et al. 2000). Beberapa aspek mekanisme avoidance pada kedelai seperti peningkatan luas daun trifoliat, pengurangan ketebalan daun, dan peningkatan kandungan klorofil telah dilaporkan oleh sejumlah peneliti (Sopandie et al. 2002, Khumaida 2002, Sopandie et al. 2003a, 2003b, Tyas 2006, Jufri 2006). Namun demikian, kerapatan trikoma yang rendah sebagai salah satu komponen penting dalam mekanisme avoidance yang memungkinkan tanaman menghindari cekaman intensitas cahaya rendah dengan cara mengurangi cahaya yang direfleksikan merupakan sesuatu yang relatif baru. Kandungan antosianin yang tidak sesuai dengan hipotesis Levitt (1980) juga merupakan suatu informasi yang relatif baru.

3 135 Terkait dengan mekanisme toleransi, dalam penelitian ini diketahui bahwa genotipe toleran Ceneng memiliki laju transpor elektron yang lebih tinggi dibandingkan dengan genotipe peka Godek. Diduga, hal ini disebabkan karena genotipe toleran Ceneng memiliki daun yang lebih luas, kerapatan trikoma rendah, dan kandungan klorofil lebih tinggi sehingga kemampuan memanen cahaya lebih tinggi. Laju transpor elektron yang tinggi pada genotipe toleran Ceneng juga dimungkinkan karena memiliki struktur dan volume kloroplas yang lebih berkembang dengan tilakoid dan grana yang lebih banyak (Khumaida 2002, Tyas 2006). Kloroplas dengan grana yang banyak diduga berhubungan dengan peningkatan klorofil terutama klorofil b pada PSII sehingga kemampuan pemanenan cahaya lebih tinggi (Khumaida et al. 2003). Peningkatan kandungan klorofil b tersebut berkorelasi positif dengan ekspresi gen lhcp (Khumaida 2002). Genotipe toleran Ceneng juga memiliki gen JJ3 yang ekspresinya semakin meningkat dengan semakin rendahnya intensitas cahaya (Sopandie et al. 2006). Gen JJ3 homolog dengan gen psad yang mengkode protein PsaD PSI sub unit yang berperan penting dalam pengaturan efisiensi transpor elekron yang diinduksi cahaya rendah Laju transpor elektron yang tinggi, menyebabkan laju fotosintesis pada genotipe toleran Ceneng lebih tinggi. Ha ini sejalan dengan penjelasan Atwell et al. (1999) bahwa kapasitas transpor elektron yang tinggi menyebabkan fotosintesis meningkat. Keadaan tersebut memungkinkan tingginya produksi ATP, NADPH, dan regenerasi RuBP (Taiz dan Zeiger 2002) sehingga memicu aktivitas rubisco yang lebih tinggi untuk mengkatalisis pembentukan triosa fosfat. Dalam penelitian ini, aktivitas rubisco menurun akibat intensitas cahaya rendah dan penurunan tertinggi terjadi pada genotipe peka Godek. Holbrook et al. (1994) melaporkan bahwa dalam intensitas cahaya rendah, aktivitas rubisco pada genotipe toleran lebih tinggi dibandingkan dengan kultivar peka. Jufri (2006) juga menemukan aktivitas rubisco yang tinggi pada kedelai toleran naungan meskipun tidak berbeda nyata dengan genotipe peka. Pada padi gogo, aktivitas rubisco pada genotipe toleran berbeda nyata dengan peka naungan (Sopandie et al. 2003a). Aktivitas enzim rubisco juga dipengaruhi oleh enzim rubisco aktivase yang berfungsi untuk mengaktifkan enzim rubisco. Khumaida et al. (2002) dalam studi

4 136 molekulernya telah membuktikan bahwa pada tanaman kedelai toleran naungan terdapat korelasi yang positif antara ekspresi gen rbcl yang mengkode enzim rubisco dengan rca yang mengkode enzim rubisco activase. Triosa fosfat yang banyak dari daur Calvin, memungkinkan sintesis sukrosa dan pati yang lebih tinggi. Dalam biosintesis sukrosa, sucrose phosphate synthase (SPS) merupakan enzim utama (Huber dan Huber 1992) yang aktivitasnya tergantung pada heksosa fosfat hasil fotosintesis (Malkin dan Niyogi 2000), suatu fenomena bahwa aktivitas SPS diinduksi oleh cahaya (Vivekanandan 1997). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa dalam intensitas cahaya rendah genotipe toleran Ceneng memiliki aktivitas SPS yang lebih tinggi dibandingkan dengan genotipe peka Godek. Sebaliknya, genotipe toleran Ceneng memiliki aktivitas enzim respirasi malatedehydrogenase (MDH) dan asam invertase (AI) yang lebih rendah, demikian juga laju respirasi gelap. Sharkey (1988) melaporkan bahwa respirasi menyebabkan hilangnya seperempat sampai sepertiga CO 2 yang sedang ditambat dalam fotosintesis. Amthor (1984) juga menjelaskan bahwa dalam keadaan normal, respirasi menggunakan sekitar 45% asimilat yang apabila tidak dikurangi pada intensitas cahaya rendah maka fotosintesis bersih akan menjadi rendah bahkan mungkin negatif. Oleh karena itu, laju respirasi yang rendah merupakan dasar adaptasi tanaman untuk dapat tumbuh dan berkembang dalam kondisi cahaya yang terbatas (Taiz dan Zeiger 2002). Laju respirasi gelap yang rendah dicapai dengan cara menurunkan titik kompensasi cahaya. Kombinasi antara laju fotosintesis dan aktivitas enzim-enzim fotosintetik yang tinggi dengan laju respirasi yang rendah pada genotipe toleran Ceneng menyebabkan akumulasi fotosintat sukrosa dan pati lebih tinggi. Kondisi tersebut memungkinkan genotipe toleran Ceneng mampu menghasilkan polong berisi yang lebih banyak dan polong hampa lebih sedikit sehingga bobot biji/tanaman lebih tinggi. Beberapa aspek mekanisme toleransi kedelai terhadap intensitas cahaya rendah seperti aktivitas enzim rubisco (Holbrook et al. 1994, Khumaida 2002, Sopandie et al. 2006), laju fotosintesis dan ekspresi gen-gen fotosintetik (Khumaida 2002, Sopandie et al. 2006), dan aktivitas enzim respirasi MDH

5 137 (Patterson 1980) sudah diteliti. Aspek lainnya seperti laju transpor elektron, aktivitas enzim fotosintesis SPS, aktivitas enzim respirasi AI, respirasi gelap, titik kompensasi cahaya, serta perubahan kandungan pati dan sukrosa yang diperoleh pada penelitian ini merupakan suatu informasi baru pada tanaman kedelai. Pada umumnya, karakter yang mendukung kemampuan pemanenan dan penggunaan cahaya berubah-ubah mengikuti perubahan intensitas cahaya periode singkat. Genotipe toleran Ceneng lebih responsif yang berarti bahwa kemampuan genotipe toleran Ceneng dalam beradaptasi lebih tinggi. Hal tersebut tampak terutama pada kondisi intensitas cahaya berganti (on-off). Ini berarti, telaah mekanisme avoidance dan toleransi terhadap intensitas cahaya rendah dapat dilakukan melalui uji cepat menggunakan intensitas cahaya periode singkat. Pada lingkungan bercekaman, perbaikan hasil panen melalui seleksi langsung terhadap komponen hasil menghadapi kendala karena faktor-faktor yang menyebabkan penurunan hasil sulit dipisahkan dan dikendalikan oleh banyak gen sehingga cenderung memiliki heritabilitas yang rendah. Hal ini menyebabkan seleksi terhadap hasil memberikan kemajuan seleksi yang rendah. Alternatifnya adalah memanfaatkan karakter fisiologi sebagai kriteria seleksi. Penjelasan di atas menunjukkan bahwa hasil-hasil penelitian mekanisme fisiologi toleransi kedelai terhadap cekaman intensitas cahaya rendah dapat memberikan sumbangan untuk peningkatan efektivitas seleksi. Pada umumnya, studi fisiologi baru melibatkan kultivar yang terbatas untuk menjelaskan mekanisme adaptasi atau proses fisiologi yang mendasari potensi hasil tinggi. Untuk mengintegrasikan hasil studi fisiologi ke dalam program pemuliaan, teori yang dikembangkan dari penelitian fisiologi harus divalidasi dengan memanfaatkan materi genetik yang lebih luas. Studi pewarisan sifat akan membantu memahami hubungan karakter yang diamati pada sejumlah galur dengan penampilan yang beragam. Dalam keadaan tercekam intensitas cahaya rendah, sejumlah karakter yang diamati berkorelasi nyata dengan bobot biji/tanaman. Kerapatan trikoma memberikan kontribusi terbesar terhadap bobot biji/tanaman melalui klorofil a, klorofil b, dan jumlah polong berisi disusul tebal daun melalui lintasan yang sama. Kandungan klorofil a dan klorofil b memberikan kontribusi yang juga besar

6 138 terhadap bobot biji/tanaman melalui jumlah polong berisi. Luas daun trifoliat memberikan kontribusi yang cukup besar terhadap bobot biji/tanaman hanya melalui kerapatan trikoma, kandungan klorofil b, dan jumlah polong berisi. Hasil analisis ini memperlihatkan adanya hubungan sebab-akibat antar karakter yang mempengaruhi hasil. Adanya hubungan sebab-akibat antar karakter tersebut memungkinkan memperoleh informasi tentang peristiwa pleiotropi, yaitu suatu peristiwa yang terjadi apabila satu gen pada suatu lokus atau satu set gen pada beberapa lokus mengendalikan dua atau lebih sifat yang berbeda (Falconer dan Mackay 1996). Dalam hal ini, dapat diduga bahwa peningkatan luas daun trifoliat dalam intensitas cahaya rendah, sekaligus mengurangi kerapatan trikoma dan ketebalan daun serta meningkatkan kandungan klorofil. Ini berarti, karakter-karakter tersebut dikendalikan oleh satu set gen pada beberapa lokus. Dalam studi pewarisan diketahui bahwa gen yang mengendalikan penampilan kerapatan trikoma, kandungan klorofil, dan bobot biji/tanaman terdapat di dalam inti sel. Hal yang sama juga dilaporkan Handayani (2003), juga Soverda (2002) dalam penelitiannya menggunakan padi gogo. Ekspresi kerapatan trikoma dikendalikan oleh aksi gen aditif, kandungan klorofil a oleh aksi gen aditif maupun deminan, sedangkan kandungan klorofil b oleh aksi gen dominan. Sejauh ini, aksi gen yang mengendalikan karakter kerapatan trikoma dan kandungan klorofil belum dilaporkan peneliti lain. Pada Arabidopsis, perkembangan trikoma bersifat kompleks dan melibatkan gen-gen yang mengatur kerapatan dan morfologi trikoma (Szymanski et al.1998) dan pada kedelai cultivar Clark, kepadatan trikoma menjadi pembeda galur-galur isogenik dan Clark tetraploid (Rosaria et al. 2004). Dalam studi pewarisan klorofil a pada kedelai di bawah naungan paranet diketahui bahwa klorofil a dikendalikan oleh gen mayor (Handayani 2003). Suatu karakter yang dikendalikan oleh aksi gen aditif mudah difiksasi sehingga seleksi dapat dilakukan pada generasi awal (Ambreen et al. 2002, Noshin et al. 2003, Khan dan Habib 2003). Sebaliknya, seleksi pada generasi awal tidak akan efektif apabila karakter yang dikendalikan oleh aksi gen dominan (Mahmood et al. 2002, Noshin et al. 2003, Khan dan Habib 2003), sehingga

7 139 seleksi harus ditunda. Penundaan seleksi ini akan meningkatkan homozigositas sehingga ragam aditif meningkat (Fehr 1987). Heritabilitas arti luas (h 2 bs) untuk karakter kerapatan trikoma. kandungan klorofil a dan b, serta bobot biji/tanaman tergolong tinggi, tetapi heritabilitas arti sempit (h 2 ns) karakter bobot biji/tanaman lebih tinggi dibandingkan dengan pada karakter lainnya. Ini berarti, kerapatan trikoma dan kandungan klorofil tidak memenuhi syarat sebagai karakter seleksi. Falconer (1985) menjelaskan bahwa seleksi tidak langsung akan kurang menguntungkan apabila sifat sekunder mempunyai heritabilitas yang lebih rendah daripada sifat primer. Hasil analisis respon ikutan juga menunjukkan bahwa nilai nisbah CR y /R y untuk karakter kerapatan trikoma, kandungan klorofil a, dan kandungan klorofil b, kurang dari satu sehingga kemajuan seleksi menggunakan karakter-karakter tersebut lebih rendah dibandingkan dengan seleksi melalui karakter primer (Roy 2000). Secara umum, dapat dikemukakan bahwa mekanisme fisiologi toleransi tanaman kedelai terhadap intensitas cahaya rendah telah terungkap banyak melalui penelitian ini. Sumbangan yang paling signifikan dari hasil penelitian ini adalah terungkapnya aspek fotosintesis dan respirasi yang efisien sehingga dalam cekaman intensitas cahaya rendah, kedelai toleran masih memberikan hasil yang tinggi. Sumbangan lainnya adalah bahwa penilaian toleransi tanaman terhadap intensitas cahaya rendah dapat dilakukan melalui uji cepat menggunakan metode on-off cahaya atau menggunakan kondisi gelap-terang berganti dalam waktu singkat. Hasil studi fisiologi toleransi kedelai terhadap intensitas cahaya rendah telah memberikan pemahaman yang lebih mendalam sehingga memungkinkan studi pewarisan karakter yang lebih terarah. Sejauh ini, analisis aksi gen yang mengendalikan karakter kerapatan trikoma dan kandungan klorofil pada tanaman kedelai dalam kondisi intensitas cahaya rendah belum dilaporkan peneliti lain, demikian juga heritabilitas dan kemajuan genetik karakter-karakter tersebut. Meskipun demikian, hasil analisis menunjukkan bahwa karakter-karakter tersebut tidak memenuhi syarat kriteria seleksi. Hal ini mungkin disebabkan seleksi yang terlalu ketat (i = 10%) sehingga diduga apabila tekanan seleksi dikurangi (misalnya i = 25%) karakter-karakter tersebut akan memenuhi kriteria seleksi.