KAJIAN FISIOLOGIS, ANATOMIS, DAN BIOKIMIAWI PADI (Oryza sativa L.) RAWA PASANG SURUT TOLERAN TERHADAP CEKAMAN PIRIT TINGGI
Vina Novianti, Prof. Dr. Diah Rachmawati, S.Si., M.Si.; Prof. Dr. Ir. Didik Indradewa, Dip.Agr.St.; Dr. Maryani, M.Sc.
2025 | Disertasi | S3 Biologi
Indonesia merupakan negara dengan tingkat konsumsi beras tinggi dan berpotensi dalam pengembangan padi lokal adaptif lahan rawa sebagai solusi keterbatasan lahan. Penelitian ini bertujuan mendapatkan kultivar padi lokal Kalimantan toleran cekaman pirit tinggi, serta mempelajari mekanisme toleransi dan ekspresi gen pada kondisi keracunan besi. Tujuh kultivar padi lokal Kalimantan serta dua kultivar kontrol yaitu Inpara 5 (toleran) dan Ciherang (rentan) diuji menggunakan metode hidroponik rakit apung dengan perlakuan tiga kadar pirit (FeS2) sintetik: 0 µg/g (kontrol), 100 µg/g (rendah), dan 400 µg/g (tinggi). Seleksi awal dilakukan berdasarkan parameter pertumbuhan, morfofisiologis, biokimiawi, dan anatomis untuk menentukan kultivar paling toleran dan paling sensitif. Hasil seleksi berdasarkan skor bronzing daun (SBD) IRRI dan analisis karakteristik lainnya menunjukkan Kambang sebagai kultivar toleran, Amas sebagai kultivar sedang, dan Siam 11 Panjang sebagai kultivar rentan. Ketiga kultivar ini kemudian diuji lanjut bersama kultivar kontrol (Inpara 1 dan Ciherang) pada media tanah berpirit alami dari lahan rawa pasang surut Kalimantan Selatan, dengan tiga kadar besi (Fe): 73,85 µg/g (rendah), 114,21 µg/g (sedang), dan 1383,57 µg/g (tinggi) selama fase vegetatif hingga akhir generatif. Parameter pertumbuhan, morfofisiologis, biokimiawi, anatomis, produktivitas, dan ekspresi gen dianalisis. Sebagian besar kultivar menunjukkan penurunan karakter fisiologis, biokimiawi, dan anatomis meliputi pigmen tumbuhan, tinggi tanaman, ukuran daun, tebal lamina dan mesofil, jumlah dan ukuran stomata, luas berkas pengangkut, panjang akar, bobot kering, indeks stabilitas membran, serta peningkatan MDA dan SBD seiring peningkatan cekaman pirit. Kultivar toleran seperti Pandan Ungu, Kambang, Amas, dan Suatek Merah memiliki karakter morfofisiologis (pigmen tumbuhan, tinggi tanaman, ukuran daun, bobot kering tanaman, dan panjang akar lebih tinggi, serta SBD lebih rendah), biokimiawi, dan anatomis lebih baik. Kemudian dipilih perwakilan kultivar Kambang (toleran), Amas (sedang), dan Siam 11 Panjang (rentan) untuk diuji lanjut pada tanah berpirit alami, dan dilakukan analisis pertumbuhan, morfofisiologis, biokimiawi, anatomis, produktivitas, dan ekspresi gen. Hasilnya, kultivar toleran menunjukkan peningkatan tebal lamina dan mesofil, densitas dan indeks stomata, serta ukuran stomata lebih kecil pada kadar besi tinggi. Pada akar, kultivar toleran memiliki diameter akar, luas penampang akar, tebal korteks, luas stele, dan luas metaxilem lebih kecil dibandingkan kultivar rentan, ketika kadar besi tinggi. Mekanisme toleransi Kambang dan Inpara 1 berupa “inklusi toleran”, sedangkan Siam 11 Panjang menggunakan “eksklusi penghindaran”. Kultivar toleran memiliki aktivitas antioksidan lebih tinggi untuk mendetoksifikasi radikal bebas. Dari aspek molekuler, ekspresi gen OsNAS3 tertinggi ditunjukkan oleh Inpara 1 sebagai kultivar toleran. Cekaman besi tinggi menyebabkan penurunan ekspresi beberapa gen fungsional pada kultivar toleran namun meningkatkan ekspresi pada Siam 11 Panjang sebagai kultivar rentan. Terdapat peningkatan ekspresi gen OsNAS1, OsNAS2 pada Siam 11 Panjang, sementara pada Inpara 1, Amas, dan Kambang mengalami penurunan ekspresi gen. Pada Ciherang dan Siam 11 Panjang terjadi peningkatan dan ekspresi OsIRT1, OsIRT2, dan OsFRO2 tertinggi pada cekaman besi tinggi, mengindikasikan kedua kultivar rentan keracunan besi. Ekspresi OsIRT1, OsIRT2, dan OsFRO2 terendah konsisten ditunjukkan oleh Kambang pada cekaman tinggi, mendukung statusnya sebagai kultivar toleran. Hasil penelitian menemukan bahwa kultivar toleran memiliki produktivitas lebih baik meskipun menurun, seperti jumlah malai, gabah isi, dan bobot gabah lebih tinggi dibandingkan kultivar rentan. Dengan demikian, Inpara 1 dan Kambang dikategorikan sebagai kultivar toleran keracunan besi, sedangkan Ciherang dan Siam 11 Panjang tergolong rentan. Strategi adaptasi ini mencakup respon struktural, biokimiawi, dan molekuler dalam menghadapi cekaman pirit dan kadar besi tinggi.
Indonesia is a country with high rice consumption and significant potential to develop local rice adapted to swamp land as a solution to land limitations. This study aims to obtain local Kalimantan rice cultivars tolerant to high pyrite stress, and to explore the tolerance mechanisms and gene expression under iron toxicity conditions. Seven local Kalimantan rice cultivars and two control cultivars, namely Inpara 5 (tolerant) and Ciherang (susceptible) were tested using the floating raft hydroponic method with three levels of synthetic pyrite (FeS2): 0 µg/g (control), 100 µg/g (low), and 400 µg/g (high). Initial selection was carried out based on growth, morphophysiological, biochemical, and anatomical parameters to determine the most tolerant and most sensitive cultivars. The results of the selection based on the IRRI leaf bronzing score (SBD) and other characteristic analysis showed Kambang as a tolerant cultivar, Amas as a moderate cultivar, and Siam 11 Panjang as a susceptible cultivar. These three cultivars were then further tested together with control cultivars (Inpara 1 and Ciherang) on natural pyrite soil media from tidal swamp land in South Kalimantan, with three levels of iron (Fe): 73,85 µg/g (low), 114,21 µg/g (medium), and 1383,57 µg/g (high) during the vegetative phase until the end of the generative phase. Growth, morphophysiological, biochemical, anatomical, productivity, and gene expression parameters were analyzed. Most cultivars showed a decrease in physiological, biochemical, and anatomical characters including plant pigments, plant height, leaf size, lamina and mesophyll thickness, number and size of stomata, vascular bundle area, root length, dry weight, membrane stability index, and an increase in MDA and SBD with increasing pyrite stress. Tolerant cultivars such as Pandan Ungu, Kambang, Amas, and Suatek Merah have better morphophysiological (plant pigment, plant height, leaf size, plant dry weight, and root length, and lower SBD), biochemical, and anatomical characteristics. Then, representative cultivars Kambang (tolerant), Amas (moderate), and Siam 11 Panjang (susceptible) were selected for further testing on natural pyrite soil, and growth, morphophysiological, biochemical, anatomical, productivity, and gene expression analyses were carried out. The results showed that tolerant cultivars showed increased lamina and mesophyll thickness, stomatal density and index, and smaller stomatal size at high iron levels. In the roots, tolerant cultivars had smaller root diameter, root cross-sectional area, cortex thickness, stele area, and metaxylem area compared to susceptible cultivars, when iron levels were high. The tolerance mechanism of Kambang and Inpara 1 was in the form of “tolerant inclusion”, while Siam 11 Panjang used “avoidance exclusion”. Tolerant cultivars have higher antioxidant activity to detoxify free radicals. From the molecular aspect, the highest expression of the OsNAS3 gene was shown by Inpara 1 as a tolerant cultivar. High iron stress caused a decrease in the expression of several functional genes in tolerant cultivars but increased expression in Siam 11 Panjang as a susceptible cultivar. There was an increase in the expression of the OsNAS1, OsNAS2 genes in Siam 11 Panjang, while in Inpara 1, Amas, and Kambang there was a decrease in gene expression. In Ciherang and Siam 11 Panjang there was an increase and the highest expression of OsIRT1, OsIRT2, and OsFRO2 at high iron stress, indicating that both cultivars were susceptible to iron toxicity. The lowest expression of OsIRT1, OsIRT2, and OsFRO2 was consistently shown by Kambang at high stress, supporting its status as a tolerant cultivar. The results of the study found that tolerant cultivars had better productivity even though it decreased, such as the number of panicles, filled grains, and higher grain weight compared to susceptible cultivars. Thus, Inpara 1 and Kambang are categorized as tolerant cultivars to iron toxicity, while Ciherang and Siam 11 Panjang are classified as susceptible. These adaptation strategies include structural, biochemical, and molecular responses in the face of pyrite stress and high iron levels.
Kata Kunci : padi lokal Kalimantan, rawa pasang surut, toleransi keracunan besi, pirit tinggi
