Masa Depan Pengembangan Teknologi Pengendalian · PDF fileMikroba • Proteksi Silang...
Transcript of Masa Depan Pengembangan Teknologi Pengendalian · PDF fileMikroba • Proteksi Silang...
D A M A Y A N T I B U C H O R I
D E P A R T E M E N P R O T E K S I T A N A M A N
F A K U L T A S P E R T A N I A N
I N S T I T U T P E R T A N I A N B O G O R
Masa Depan Pengembangan Teknologi Pengendalian OPT
dengan Agens Hayati
Disampaikan pada Rapat Evaluasi Penerapan Teknologi Pengendalian OPT Tanaman Pangan Berwawasan PHT
MASA DEPAN
Kemajuan IPTEKS
Tantangan: akan ada berbagai permasalahan yang akan mewarnai pertanian dan penggunaan agens hayati
Lingkungan
Kebijakan: misalnya konvensi internasional (Nagoya Protocol, Cartagena Protocol, etc)
Kelembagaan: siapa yang bertanggung jawab terhadap pelaksanaan PHT (PHP, etc).
Perdagangan internasional
Tantangan
Pertambahan Penduduk
Kurangnya lahan Pertanian
Perubahan Iklim
Di tuntut untuk meningkatkan produksi dalam situasi yang tidak ideal
• Semakin Bertambahnya jumlah Penduduk
• Perubahan Iklim
INOVASI TEKNOLOGI
Grafik Jumlah Penduduk Indonesia
Badan Pusat Statistik,2010
Tantangan Pertanian Indonesia
Secara nasional, laju pertumbuhan penduduk Indonesia per tahun
selama sepuluh tahun terakhir adalah sebesar 1,49 %
Indonesia harus mampu menyediakan pangan untuk 237,6 juta jiwa
3 juta konsumen baru setiap tahun
Pada saat yang sama tahun 1993-2003 (10 tahun) lahan pertanian
indonesia telah terkonversi sebanyak 1.100.000 hektar
Sekitar 100.000 ha lahan pertanian terkonversi setiap tahunnya untuk
berbagai kepentingan non-pertanian
Penurunan ketersediaan air dan kompetisi penggunaan air antara
konsumsi RT dan Industri serta keperluan pertanian
Badan Pusat Statistik
Perubahan Iklim dan Globalisasi Dampak
Pergeseran musim
Curah hujan yang ekstrim
Kekeringan ekstrim
Suhu rata rata meningkat
Spesies Invasif
Pergeseran musim tanam
Pola pertanian nasional harus adaptif
Manajemen Air (irigasi menjadi penting, jenis tanaman harus dipertimbangkan
Peledakan Hama dan Penyakit?
Penyerbukan
Produktivitas Tanaman
Dampak Perubahan Iklim Pada Pertanian Indonesia
Komoditas Luas terkena dampak
banjir (Ha) Puso (Ha)
Padi 309.859 ha 99.586 ha
Jagung 17.299 ha 7.028 ha
Kedelai 6.561 ha 1.785 ha
Kacang tanah 2.047 ha 261 ha
Tabel 1. Rerata luas areal tanaman pangan yang terkena dampak banjir (2004-2008)
Komoditas Luas terkena dampak
kekeringan (Ha) Puso (Ha)
Padi 311.885 ha 61.344 ha
Jagung 51.463 ha 3.610 ha
Kedelai 7.062 ha 310 ha
Kacang tanah 11.607 ha 510 ha
Tabel 2. Rerata luas areal tanaman pangan rusak akibat kekeringan (2004-2008)
Direktorat Jendral Tanaman Pangan,2010
Apa Saja yang telah digunakan?
Bagaimana keberhasilannya?
Predator
Parasitoid
Cendawan
Bakteri
Virus
Agens antagonis
Cendawan endofit
EVALUASI PENGGUNAAN AGENS HAYATI
HAMA PENYAKIT
INOVASI RAMAH LINGUNGAN: APA YANG DIPERLUKAN
Perkembangan Sains
macam apakah?
Teknologi jenis apakah?
Aturan Aturan Yang Ada
(Konvensi)
Bagaimana menjamin
Pengelolaan OP yang ramah
Lingkungan?
Inovasi
Senantiasa menjadi
Tantangan
Multilevel Thinking
Dari Individu ke Populasi
Agens Hayati/Musuh Alami
PeraturanMenteri Pertanian Nomor 411 tahun1995:
“Agens Hayati yaitu setiap organisme yang meliputi spesies, subspesies, varietas, semua jenis serangga, nematoda, protozoa, cendawan (fungi), bakteri, virus, mikoplasma, serta organisme lainnya dalam semua tahap perkembangannya yang dapat dipergunakan untuk keperluan pengendalian hama dan penyakit atau organisme pengganggu, proses produksi, pengolahan hasil pertanian, dan berbagai keperluan lainnya”
Agens Hayati Pengendali Hama dan Penyakit Tanaman
Parasitoid Predator Mikroba
• Proteksi Silang • ISR (Induced Systemic
Resistance)
Pengendalian Hama
Pengendalian Penyakit: Mikroba
PENGETAHUAN FUNDAMENTAL
Ekologi hama dan ekologi penyakit
Spesies invasif dan species hama baru
Interaksi faktor faktor biologi dan iklim
Agens Hayati: predator dan parasitoid (hama)
Prinsip pengendalian hayati
Southwood: synoptic
Respon fungsional dan numerikal
Agens hayati: mikroba
Virulensi
Transmission rate
EVALUASI MUSUH ALAMI
Pemilihan species Bagaimana pemilihan ?
Species invasif/baru
Mass Rearing Nisbah Kelamin
Kebugaran/fitness
Tanggap Fungsional
Inbreeding Effect
Pengaruh lingkungan selama mass rearing (foundress effect, host shift)
Pelepasan Jarak Terbang
Kemampuan pencairan inang dan parasitasi
Lama hidup di lapang
Kompetisi?
Konservasi Berapa generasi bisa
bertahan?
Principles of IPM
Grow a healthy crop
Optimize natural enemies
Observe fields weekly
Farmers as experts
FARMERS AS THE CENTRAL ROLE
PH MASA DEPAN: Peradaban dan perkembangan IPTEK yang semakin maju turut
meningkatkan pengembangan Pengendalian OPT dengan Agens Hayati
Manipulasi perilaku pada
parasitoid dan predator:
Nisbah kelamin
Asosiasi mikroba-serangga:
Enkapsulasi oleh inang
Pestisida Nabati
Serangga Transgenik
Cendawan Endofit
PGPR
Proteksi Silang
HAMA: PATOGEN
Manipulasi klasik Manipulasi bioteknologi: Wolbachia-like organisms
Sifat khas dari parastioid: arrhenotoki
(haplod-diploid)
Kemampuan induk betina untuk memilih
jenis kelamin anaknya (Teori Hamilton)
Nisbah kelamin:
Merupakan fungsi dari jumlah betina
yang bersama sama meletakkan telur
pada areal yang sama
Merupakan fungsi dari ukuran inang
Infeksi Wolbachia menyebabkan:
1. Partenogenensis
2. Kematian pada hewan jantan
3. Feminisasi
4. Cytoplasmic Incompatibility
Nisbah Kelamin
Foundress effects on Sex Ratio
Debout et al 2002
Proportion of males among the progeny of foundress females as a function of foundress density (Curves reprsent predictions of Taylor and Bulmer’s model for three values of on-patch mating)
WOLBACHIA
• Endosymbiont
• Bakteri
• Hidup pada hewan artropoda dan nematoda
• Sekitar 60% dari artropoda diduga terinfeksi oleh Wolbachia dengan berbagai pengaruh berbeda
WOLBACHIA dan Nisbah Kelamin
Infeksi Wolbachia menyebabkan:
1. Partenogenensis (Trichogramma spp)
2. Kematian pada hewan jantan (Nasonia sp)
3. Feminisasi (Trichogramma)
4. Cytoplasmic Incompatibility (Nyamuk)
Wolbachia sebagai pengendali hayati (vektor nyamuk)
ASSOSIASI MIKROBA-SERANGGA:
• Pengaruh Wolbachia pada inang: beneficial, neutral, detrimental (Fytrou Proc Biol Sci. 2006 April 7; 273(1588): 791–796)
• Eliminasi Wolbachia menguntungkan parasitoid Leptopilina: menurunkan enkapsulasi
• Pengaruh PolyDNA virus: menurunkan enkapsulasi
PARASITOID: ENKAPSULASI
• Mekanisme pertahanan inang dalam merespon adanya benda asing, melibatkan sel-sel darah inang, membentuk lapisan-lapisan yang membungkus atau mengelilingi benda asing, seperti telur parasitoid.
MEKANISME PERTAHANAN TERHADAP ENKAPSULASI
Pasif
Menghindar dari enkapsulasi
1.Peletakan telur parasitoid di;
- segmen torak inang
- kelenjar salivari
- berkembang di dalam membran dasar
2. Adanya lapisan pelindung
telur Virus Like Particles
(VLPs)
3. Peletakan telur lebih dari 1
Aktif
Dengan menginjeksikan telur dan
bahan kimia kedalam tubuh inang
pada saat oviposisi
1. Teratosit
-mengalihkan enkapsulasi ke teratosit
- bahan makanan bagi parasitoid
- memperlemah sistem pertahanan inang
2. PDV
3. Lamelosin
(Yuniar Sahara,1999
Pada Tanaman Hortikultura: Kubis
• Eriborus argentopilosus adalah parasitiod hama Crocidolomia binotalis
• Tingginya laju enkapsulasi : pengendalian hayati tidak efektif
• Enkapsulasi menyebabkan:
– Parasitoid mati (kurang oksigen)
– Kelaparan
– Perkembangan terhambat
PolyDNA Virus PolyDNA virus + Ekstrak pestisida nabati
Parasitoid Microplitis Bersimbiose dengan partikel virus Poliadnavirus untuk menghambat enkapsulasi terhadap telur parasitoid (Sahara, 1999)
Rokaglamida: Menurunkan jumlah hemosit larva inang sehingga dapat menurunkan enkapsulasi telur dan larva parasitoid (Danar Dono, 2004)
Perlakuan ekstrak ranting Aglaia odorata maupun rokaglamida dapat menekan enkapsulasi oleh larva C.binotalis (Sudarmo, 2001)
Enkapsulasi: Efek PDV dan Pestisida Nabati
Serangga Transgenik
• Kemajuan dalam bidang biologi molekuler memungkinkan dilakukanya manipulasi genetik arthopoda.
• Penggabungan DNA asing ke dalam genom telah memperluas kemungkinan untuk transformasi genetik serangga
• Arthopoda menguntungkan bisa di ubah untuk berbagai sifat, dan diharapkan lebih efektif sebagai agen hayati.
Meningkatkan efektifitas musuh alami dan memiliki kemampuan adaptasi terhadap lingkungan
Resisten terhadap insektisida
Pengendalin vektor penyakit
Cryopreservation
Meningkatkan keberhasilan mass rearing
Serangga Transgenik Dapat :
Tungau Predator Transgenik
Tungau predator transgenik, Metaseiulus occidentalis Nesbitt telah digunakan untuk mengendalikan tungau Tetranychus uirticae Koch (Presnail et al,1997)
M. occidentalis transgenik resisten terhadap pestisida (carbaryl organophosphate-sulfur
Tungau predator di transform dengan plasmid yang mengandung E. coli
Metode ini juga dapat diadaptasi untuk arthopoda bermanfaat lainya, khususnya Phytoseiids
Novel Genes Cloned for Genetic Manipulation of Insects: Resistensi
Gen yang bertanggung jawab untuk resistensi parathion hydrolase gene (opd) :
telah diklon dari Pseudomonas diminuta (Leiffson and Hugh) and Flavobacterium
cyclodiene resistance gene (g-aminobutryic acid A, GABAA) dari Drosophila,
b-tubulin genes from Neurospora crassa (Draft) and Septoria nodorum (Berk.)
Resistansi terhadap benomyl:
acetylcholinesterase gene (Ace) dari D. melanogaster nyamuk A. stephensi,
glutathione S-transferase gene (GST1) dari M. domestica,
Cytochrome P450-B1 gene (CYP6A2) associated with DDT resistance in Drosophila,
esterase B1 gene from Culex bertanggung jawab untuk ketahanan/resisten terhadap
organophosphates (Atkinson, Pinkerton, and O’Brochta, 2001).
Gen metallothionein telah diklon dari Drosophila dan organisme lain yang berfungsi dalam
homeostasis dari tembaga dan cadmium (Theodore, Ho, dan Marni, 1991). Gen ini dapat
memberikan ketahanan terhadap fungisida yang mengandung tembaga dimusuh alami Artropoda.
Peningkatan toleransi terhadap cuaca dingin ataupun
terhadap cuaca panas
Trichogramma toleran terhadap cuaca panas
Gen “Antifreeze protein genes” telah di klon dari ikan
wolf-fish, Anarhichas lupus (L.) dan di transfer ke
Drosophila (Rancourt et al., 1990; Rancourt, Davies, and
Walker, 1992) dengan menggunakan hsp70 promoter dan
yolk polypeptide promoters of Drosophila
Studi ini menunjukkan bahwa musuh alami dapat beradaptasi terhadap berbagai cuaca ekstrim.
Adaptasi Terhadap Kondisi Ekstrim
Cryopreservation
Salah satu aplikasi potensi bioteknologi adalah pengembangan metode cryobiology untuk mempertahankan/memelihara embrio arthropoda agens hayati
Saat ini, arthropoda agens hayati dapat dipelihara hanya dengan rearing secara terus-menerus atau dengan menahan spesimen yang berada dalam tahap diapause.
Cara ini membutuhkan biaya yang mahal/tidak efisien dan dapat menyebabkan hilangnya koloni, serta “genetic drift” atau kontaminasi pada koloni. Mazur et al. (1992) menunjukkan bahwa embrio dari lalat buah, D. melanogaster, dapat disimpan dalam nitrogen cair dan kemudian dicairkan untuk dikembangkan menjadi lalat dewasa yang layak dan subur.
Jika cryopreservationdapat diadaptasi untuk arthropoda lain, akan ada penghematan yang signifikan terhadap biaya pemeliharaan
Lebih penting lagi, koleksi musuh alami Artropoda juga bisa dipertahankan tanpa batas waktu
Quality Control of Insect Cultures and Mass Production
Mempertahankan kualitas arthopoda yang /dipelihara di laboratorium sulit dilakukan, karena dimungkinkan terjadi perubahan genetik yang disebabkan oleh seleksi secara tidak sengaja, inbreeding, genetic drift, dan founder effects (Stouthammer, Luck, and Werren 1992; Hopper, Roush, and Powell, 1993).
Metode bioteknologi dapat digunakan untuk produksi massal dan pengawasan mutu Trichogramma spp. (de Almeida, da Silva, and de Medeiros, 1998).
Beckendorf dan Hoy (1985) menyarankan bahwa teknik DNA rekombinan dapat menjadikan musuh alami lebih efisien dan lebih murah. Setelah gen di kloning, kemudian dapat dimasukkan ke dalam sejumlah spesies yang bermanfaat.
Kemampuan untuk memanipulasi dan memasukkan materi genetik ke dalam genom Drosophila telah digunakan untuk mengembangkan pemahaman dasar genetika, interaksi biokimia, pengembangan, dan perilaku serangga (Lawrence, 1992).
Rekayasa genetika arthropoda lain selain Drosophila telah dicoba, tetapi dengan keberhasilan yang terbatas (Walker, 1989; Handler dan O'Brochta, 1991; Hoy, 1994; Kramer, 2004).
Kontrol Kualitas Serangga dan Produksi Masal
• Mengubah longevity/lama hidup arthropoda tertentu mungkin akan bermanfaat, dan penelitian tentang mekanisme ageing/penuaan dapat memberikan gen berguna di masa depan.
• Hasil kloning sebuah gen katalase dimasukkan ke dalam D. melanogaster dengan transformasi P-elemen-mediated telah terbukti memberikan perlawanan terhadap hidrogen peroksida, meskipun tidak memperpanjang umur lalat (Orr dan Sohal, 1992).
• Mempersingkat tingkat pengembangan, meningkatkan produksi progeni, mengubah sex ratio, memperluas suhu dan toleransi kelembaban relatif, dan mengubah preferensi inang atau habitat dapat meningkatkan efektivitas agen pengendalian biologis (Hoy, 1976).
Altering Biological Attributes
AGENS HAYATI UNTUK PATOGEN: Cendawan Endofit
Cendawan Endofit = mikosimbion endofitik = cendawan yang melakukan kolonisasi di dalam jaringan tanaman tanpa menimbulkan gejala sakit (Petrini 1992)
Interaksi antara cendawan endofit dan inang tanaman umunya bersifat sisbiosis mutualisme
Cendawan endofit dapat menginfeksi tumbuhan sehat pada jaringan tertentu dan mampu menghasilkan mitotoksin, enzim, serta antibiotika (Carrol 1988; Clay 1988)
Asosiasi beberapa fungi endofit dengan tumbuhan inangnya mampu melindungi beberapa tumbuhan inangnya dari beberapa patogen virulen, kondisi ekstrim maupun herbivora (saikkoen & Helander 2003)
Salah satu mikrorganisme yang dianggap potensial dalam pembentkan tanaman padi yang resisten adalah menggunakan cendawan endofit. Cendawan endofit mampu meningkatkan resistensi tanaman inang dari serangan hama (Clay 1992)
Cendawan Endofit
Asal endofit secara teoritis (Evolusi): - Patogen tanaman
- Patogen lemah-simbion (endofit)
- Patogen serangga
- Endofit (Beauveria, Acremonium, dan Ordo Clavicipetales)
Cendawan Endofit Mekanisme Ketahanan terhadap OPT (Hama)
Non Preferensi ( karena perubahan produksi
senyawa volatil tanaman)-- sudah dicoba pada
wereng coklat
Antibiosis: toxin yang dihasilkan baik oleh cendawan
sendiri maupun asosiasi dengan tanaman;
menurunkan survival (sudah dicoba pada Aphis
gossypii pada cabai dan WBC padi, keperidian,
ukuran tubuh , dan laju pertumbuhan populasi
Perubahan metabolisme tanaman
Peran ekologis Cendawan Endofit
Resistensi terhadap hama dan penyakit
Sebagai growth promoting agent (ada ZPT, serapan hara)
Beberapa meningkatkan ketahanan terhadap kekeringan
Kelebihan Cendawan Endofit:
Ada dalam jaringan tanaman sehingga mempunyai efek resistensi sistemik (induced systemic resistance), tidak terlalu terpengaruh oleh faktor lingkungan
Bisa alternatif genetic engineering spt masukkan gen tahan, gen Bt dll.
Di alam tanaman sudah berasosisasi dengan mikrob
epifit, endofit disemua bagian tanaman yang bisa
berperan utk proteksi thd hama dan penyakit
Mudah dibiakkan dan aplikasi-- karena pada tanaman semusim kebanyakan ditularkan melalui benih
Vertikal melalui benih, diturunkan ke keturunannya
Horizontal melalui angin dan serangga
Yang sudah dicoba: - Nigrospora pada padi -- wereng : - SH2, Nigrospora- cabai- A. gossypii - Nigrospora, Curvularia- akar gada pada kubis (Plasmodiophora brassicae) - Endophytic Trichoderma dan Nigrospora- tomat- nematoda (meloidogyne)
Penularan Cendawan Endofit
PGPR
PGPR = Plant Growth Promoting Rhizobacteria (bakteri perakaran pemacu pertumbuhan tanaman)
Campuran yang mengandung bakteri Pseudomonas fluorescens dan Bacillus ploymixa, mampu meningkatkan pertumbuhan tanaman dan pengendalian penyakit (Performasi Tanaman)
Mekanisme performasi PGPR
1. Penekanan penyakit tanaman (bioprotectants)
2. Meningkatkan ketersediaan unsur hara bagi tanaman (biofertilizer)
3. Memproduksi fitohormon (biostimulants)
Mekanisme penekanan terhadap penyakit tanaman (Tenuta 2003)
1. Produksi antibiotik
2. Shiderophores
3. Induksi resistensi sistemik
Biofertilizer
Meningkatkan penyerapan /pemanfaat unsur N oleh PGPR pemfiksasi nitrogen (Azospirillum, Rhizobium, Bradyrhizobium, dll)
Meningkatkan kemampuan pengambilan unsur besi (Fe3+) oleh PGPR penghasil siderofor (Pseudomonas kelompok fluoresens)
Meningkatkan kemampuan penyerapan unsur S oleh PGPR pemfiksasi sulfur (Thiobacillus)
Meningkatkan ketersediaan unsur P oleh PGPR pelarut fosfat (Bacillus, Pseudomonas)
Meningkatkan ketersediaan unsur Mn2+ oleh PGPR pereduksi Mangan
Percobaan rumah kaca menggambarkan efektivitas dari tiga strain Bacillus untuk biokontrol busuk akar dan pucuk tanaman gandum yang disebabkan oleh F. oxysporum. Semua tanaman perlakukan dengan F. oxysporum saja mati (Kontrol, paling kanan), sedangkan 100% dari tanaman diinokulasi dengan patogen dan Bacillus isolat KBE5-7, NAE5-7, dan KBE9-1 bertahan hidup, tidak menunjukkan gejala infeksi. (Idris et al. 2007)
Schematic illustration of important mechanisms known for plant growth promotion by PGPR. Different mechanisms can be broadly studied under (1) Biofertilization, and (2) Biocontrol of pathogens. Biofertilization encompasses: (a) N2 Fixation, (b) Siderophore production, (c) Pinorganic solubilization by rhizobacteria. Biocontrol involves: (a) Antibiosis, (b) Secretion of lytic enzymes, and (c) Induction of Systemic Resistance (ISR) of host plant by PGPR
Schematic illustration of important mechanisms known for plant growth promotion by PGPR.
Proteksi Silang
Proteksi silang=Cross Protection telah digunakan untuk pengendalian penyakit virus
Tanaman yang diinokulasi dengan strain virus yang lemah
hanya sedikit menderita kerusakan, tetapi akan terlindung
dari infeksi strain yang kuat. Strain yang dilemahkan antara
lain dapat dibuat dengan pemanasan in vivo, pendinginan in
vivo dan dengan asam nitrit.
Menggunakan virus non host nya, virus lemah atau strain viroid
Cross protection berkontribusi di masa depan untuk
pemeliharaan kesehatan tanaman dalam menghadapi penyakit
virus
Point utama Cross Protection
Virus yang dilemahkan/strain virus lemah/the protective virus menyebabkan gejala ringan atau tanpa genjala pada tanaman inang
Setelah strain lemah diinokulasi selanjutnya akan memicu
tekanan atau perlawanan urutan spesifik stran virus kuat/ the
challenge virus.
Banyak penelitian telah menemukan bahwa mutasi pada penekan silencing virus (peredaman gen sehingga tidak dapat di transkripsi/ ditransskripsi tapi tdk dapat melanjutkan proses selanjutnya-- translasi) dapat menipis gejala berat, misalnya mutasi pada penekan membungkam HC-Pro dari potyvirus (Wu, H.W et al 2010)
A model to explain the cross protection in squash plants provide by the constructed Zucchini yellow mosaic virus (ZYMV)-GAC and ZYMV-GAB mutants and the naturally collected mild strain ZYMV WK against the severe strain ZYMV. (Lin, S.S et al, 2010 Phytopathology 97:287-296)
A model to explain the cross protection
Investigasi masa depan mengenai mekanisme cross protection akan membantu mengungkap mekanisme baru dalam interaksi virus-tumbuhan dan memberikan pengetahuan untuk pengembangan strategi yang lebih efisien dengan keamanan ditingkatkan bio-untuk ketahanan virus di lapangan (Lin S S, 2010)
TEKNOLOGI APAPUN
Jangan terburu buru adopsi, apalagi kalau mahal
Yang sudah ada dievaluasi dulu: sudah efektifkah?
Inovasi dan ilmu baru selalu menjadi ketertarikan baru
Agar tidak “ketinggalan jaman”
Pendekatan holistik jangan terlupakan
PHT jangan terlupakan
Penggunaan agens Hayati tidak terlepas dari prinsip PHT
Principles of IPM
Grow a healthy crop
Optimize natural enemies
Observe fields weekly
Farmers as experts
FARMERS AS THE CENTRAL ROLE
Principles of IPM
Grow a healthy crop
Optimize natural enemies
Observe fields weekly
Farmers as experts
Apakah Penggunaan agens hayati meminimalkan pengamatan mingguan?
Bagaimana dengan peranan petani sebagai “experts”
KONVENSI INTERNASIONAL
International Convention: Convention on Biological Diversity
Cartagena Protokol dan Keamanan Hayati
Nagoya Protocol: Access to Genetic Resources and the Fair and Equitable Sharing of Benefits Arising from their Utilization
T E R IMAKASIH