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