Pemuliaan
tanaman mencakup tindakan penangkaran koleksi bahan/material pemuliaan (dikenal
pula sebagai plasma nutfah
atau germplasms), penciptaan kombinasi sifat-sifat baru (biasanya
melalui persilangan yang intensif), dan seleksi terhadap bahan yang dimiliki.
Semua tindakan ini dilakukan setelah tujuan spesifik program pemuliaan
ditentukan sebelumnya.[22]
Koleksi plasma nutfah
Plasma
nutfah adalah bahan baku dasar pemuliaan karena di sini tersimpan berbagai
keanekaragaman sifat yang dimiliki oleh masing-masing nomor koleksi (aksesi).
Tanpa keanekaragaman, perbaikan sifat tidak mungkin dilakukan.
Usaha
pencarian plasma nutfah baru berarti eksplorasi ke tempat-tempat yang secara
tradisional menjadi pusat keanekaragaman
hayati (atau hutan) atau dengan melakukan pertukaran koleksi.
Lembaga-lembaga publik seperti IRRI dan CIMMYT menyediakan koleksi plasma
nutfah bagi publik secara bebas bea, namun untuk kepentingan bisnis diatur oleh
perjanjian antara pihak-pihak yang terkait.
Peningkatan
keragaman (variabilitas) genetik
Keanekaragaman dalam plasma nutfah
merupakan bahan dasar untuk perakitan kultivar baru.
Apabila
aksesi tidak ada satu pun yang memiliki suatu sifat yang diinginkan, pemulia
tanaman melakukan beberapa cara untuk merakit individu yang memiliki sifat ini.
Beberapa cara yang dapat dilakukan adalah introduksi bahan koleksi, persilangan,
manipulasi kromosom, mutasi dengan paparan radioaktif atau bahan kimia
tertentu, penggabungan (fusi) protoplas/inti sel, manipulasi urutan
gen, transfer
gen, dan manipulasi regulasi gen.
Empat cara
yang disebut terakhir kerap dianggap sebagai bagian dari bioteknologi pertanian (green
biotechnology). Tiga cara yang terakhir adalah bagian dari rekayasa genetika dan dianggap sebagai
"pemuliaan tanaman molekular" karena menggunakan metode-metode biologi molekular.[23]
Introduksi
Mendatangkan
bahan tanam dari tempat lain (introduksi) merupakan cara paling sederhana untuk
meningkatkan keragaman (variabilitas) genetik. Seleksi penyaringan (screening)
dilakukan terhadap koleksi plasma nutfah
yang didatangkan dari berbagai tempat dengan kondisi lingkungan yang
berbeda-beda. Pengetahuan tentang pusat keanekaragaman (diversitas) tumbuhan
penting untuk penerapan cara ini. Keanekaragaman
genetik untuk suatu spesies tidaklah sama
di semua tempat di dunia. N.I. Vavilov,
ahli botani dari Rusia, memperkenalkan teori "pusat
keanekaragaman" (centers of origin) bagi keanekaragaman tumbuhan.
Contoh pemuliaan
yang dilakukan dengan cara ini adalah pemuliaan untuk berbagai jenis tanaman
buah asli Indonesia, seperti durian dan rambutan, atau tanaman pohon lain yang
mudah diperbanyak secara vegetatif,
seperti ketela pohon dan jarak pagar. Introduksi dapat dikombinasi
dengan persilangan.
Persilangan
Malai padi dibungkus dengan kertas
pelindung untuk mencegah penyerbukan yang tidak dikehendaki. Persilangan masih
menjadi tulang punggung industri perbenihan sampai saat ini.
Persilangan
merupakan cara yang paling populer untuk meningkatkan variabilitas genetik,
bahkan sampai sekarang karena murah, efektif, dan relatif mudah dilakukan.
Berbagai galur hasil rekayasa genetika pun biasanya masih memerlukan beberapa
kali persilangan untuk memperbaiki penampilan sifat-sifat barunya.
Pada
dasarnya, persilangan adalah manipulasi komposisi gen dalam populasi.
Keberhasilan persilangan memerlukan prasyarat pemahaman akan proses reproduksi tanaman yang bersangkutan
(biologi bunga). Berbagai macam skema persilangan telah dikembangkan (terutama
pada pertengahan abad ke-20) dan menghasilkan sekumpulan metode pemuliaan yang
telah diterapkan pada berbagai perusahaan perbenihan.
Walaupun
secara teknis relatif mudah, keberhasilan persilangan perlu mempertimbangkan
ketepatan waktu berbunga (sinkronisasi), keadaan lingkungan yang mendukung,
kemungkinan inkompatibilitas,
dan sterilitas keturunan. Keterampilan teknis dari petugas persilangan juga
dapat berpengaruh pada keberhasilan persilangan. Pada sejumlah tanaman, seperti
jagung, padi, dan Brassica napus
(rapa), penggunaan teknologi mandul jantan dapat membantu mengurangi
hambatan teknis karena persilangan dapat dilakukan tanpa bantuan manusia.
Semua
varietas unggul padi, jagung, dan kedelai yang ditanam di Indonesia saat ini
dirakit melalui persilangan yang diikuti dengan seleksi.
Manipulasi kromosom
Yang
termasuk dalam cara ini adalah semua manipulasi ploidi, baik poliploidisasi (penggandaan genom)
maupun pengubahan jumlah kromosom. Gandum roti dikembangkan
dari penggabungan tiga genom spesies yang
berbeda-beda. Semangka tanpa biji dikembangkan dari
persilangan semangka tetraploid dengan
semangka diploid. Pengubahan jumlah kromosom
(seperti pembuatan galur trisomik atau monosomik) biasanya dilakukan sebagai
alat analisis genetik untuk menentukan posisi gen-gen yang mengatur sifat
tertentu. Galur dengan jumlah kromosom yang tidak berimbang seperti itu
mengalami hambatan dalam pertumbuhannya.
Teknik
pemuliaan ini sebenarnya juga mengandalkan persilangan dalam praktiknya.
Pemuliaan dengan bantuan mutasi
Pemuliaan
tanaman dengan bantuan mutasi (dikenal pula
sebagai pemuliaan tanaman mutasi) adalah teknik yang pernah cukup populer untuk
menghasilkan variasi-variasi sifat baru. Teknik ini pertama kali diterapkan
oleh Stadler pada tahun 1924[24] tetapi prinsip-prinsip
pemanfaatannya untuk pemuliaan tanaman diletakkan oleh Åke Gustafsson dari Swedia.[24] Tanaman dipaparkan pada sinar radioaktif dari isotop tertentu (biasanya kobal-60)
dengan dosis rendah sehingga tidak mematikan tetapi mengubah sejumlah basa DNA-nya. Mutasi pada gen akan dapat
mengubah penampilan tanaman. Pada tanaman yang dapat diperbanyak secara vegetatif,
induksi jaringan kimera sudah
cukup untuk menghasilkan kultivar baru. Pada tanaman yang diperbanyak dengan
biji, mutasi harus terbawa oleh sel-sel reproduktif, dan generasi selanjutnya
(biasa disebut M2, M3, dan seterusnya) diseleksi.
Pemuliaan
mutasi sejak akhir abad ke-20 telah dilakukan pula dengan melakukan mutasi pada
jaringan yang dibudidayakan (kultur jaringan) atau dengan bantuan teknik
TILLING. TILLING membantu mutasi secara
lebih terarah sehingga hasilnya lebih dapat diramalkan.[25]
Hingga
tahun 2006 telah dihasilkan lebih dari 2300 kultivar tanaman dengan mutasi, 566
di antaranya adalah tanaman hias.[26] Daftar kultivar dengan pemuliaan
mutasi dapat diakses pada http://www-mvd.iaea.org.
Manipulasi gen dan ekspresinya
Transfer
gen
Alat biolistik untuk transfer gen.
Transfer
gen sebagai alat untuk menghasilkan keragaman genetik tanaman mulai
dikembangkan sejak 1980-an, setelah orang menemukan enzim
endonuklease
restriksi dan mengetahui cara menyisipkan fragmen DNA organisme
asing ke dalam kromosom penerima, dan diciptakannya alat sekuensing DNA. Teknik transfer gen juga
memerlukan keterampilan dalam budidaya jaringan untuk mendukung proses
ini. Karena memerlukan biaya sangat tinggi, hanya industri agrokimia yang
sanggup menggunakan metode ini. Akibat dari hal ini berkembanglah isu
"penguasaan gen" sebagai isu politik baru karena gen-gen
"buatan" dan kultivar yang dihasilkan dikuasai oleh segelintir
perusahaan multinasional besar.
Dalam
transfer gen, fragmen DNA dari organisme lain (baik mikroba, hewan, atau
tanaman), atau dapat pula gen sintetik, disisipkan ke dalam tanaman penerima
dengan harapan gen "baru" ini akan terekspresi dan meningkatkan
keunggulan tanaman tersebut. Strategi pemuliaan ini banyak mendapat penentangan
dari kelompok-kelompok lingkungan karena kultivar yang dihasilkan dianggap
membahayakan lingkungan jika dibudidayakan.
Identifikasi
dan seleksi terhadap bahan pemuliaan
Penyaringan adalah salah satu cara mengidentifikasi
sifat yang dimiliki bahan pemuliaan. Galur
di sebelah kanan rentan terhadap kegaraman tinggi, sedangkan di sebelah kiri
toleran.
Bahan atau
materi pemuliaan dengan keanekaragaman yang luas selanjutnya perlu
diidentifikasi sifat-sifat khas yang dibawanya, diseleksi berdasarkan hasil
identifikasi sesuai dengan tujuan program pemuliaan, dan dievaluasi kestabilan sifatnya
sebelum dinyatakan layak dilepas kepada publik. Dalam proses ini penguasaan
berbagai metode percobaan, metode seleksi, dan juga "naluri" oleh
seorang pemulia sangat diperlukan.
Identifikasi keunggulan
Usaha
perluasan keanekaragaman akan menghasilkan banyak bahan yang harus
diidentifikasi. Pertimbangan sumber daya menjadi faktor pembatas dalam menguji
banyak bahan pemuliaan. Di masa lalu identifikasi dilakukan dengan pengamatan
yang mengandalkan naluri seorang pemulia dalam memilih beberapa individu
unggulan. Program pemuliaan modern mengandalkan rancangan percobaan
yang diusahakan seekonomis tetapi seakurat mungkin. Percobaan dapat dilakukan
di laboratorium untuk pengujian
genotipe/penanda genetik atau biokimia, di rumah kaca untuk penyaringan
ketahanan terhadap hama atau penyakit, atau lingkungan di bawah optimal,
serta di lapangan terbuka. Tahap identifikasi dapat dilakukan terpisah maupun
terintegrasi dengan tahap seleksi.
Seleksi
Banyak
metode seleksi yang dapat diterapkan, penggunaan masing-masing ditentukan oleh
berbagai hal, seperti moda reproduksi (klonal,
berpenyerbukan sendiri, atau silang), heritabilitas sifat yang menjadi target
pemuliaan, serta ketersediaan biaya dan fasilitas, serta jenis kultivar yang
akan dibuat.
Tanaman
yang dapat diperbanyak secara klonal merupakan tanaman yang relatif mudah
proses seleksinya. Keturunan pertama hasil persilangan dapat langsung diseleksi
dan dipilih yang menunjukkan sifa-sifat terbaik sesuai yang diinginkan.
Seleksi massa dan seleksi
galur murni dapat diterapkan terhadap tanaman dengan semua moda
reproduksi. Hasil persilangan tanaman berpenyerbukan sendiri yang tidak
menunjukkan depresi
silang-dalam seperti padi dan gandum dapat pula
diseleksi secara curah
(bulk). Teknik modifikasi seleksi galur murni yang sekarang banyak
dipakai adalah keturunan biji tunggal (single seed
descent, SSD) karena dapat menghemat tempat dan tenaga kerja.
Terhadap
tanaman berpenyerbukan silang atau mudah bersilang, seleksi berbasis nilai
pemuliaan (breeding value) dianggap yang paling efektif.
Berbagai metode, seperti seleksi "tongkol-ke-baris" (beserta
modifikasinya), seleksi saudara tiri,
seleksi saudara
kandung, dan seleksi saudara kandung timbal-balik (reciprocal
selection), diterapkan apabila tanaman memenuhi syarat perbanyakan seperti
ini. Metode seleksi timbal-balik yang berulang (recurrent reciprocal
selection) adalah program seleksi jangka panjang yang banyak diterapkan
perusahaan-perusahaan besar benih untuk memperbaiki lungkang gen (gene pool) yang mereka
miliki. Dua atau lebih lungkang gen perlu dimiliki dalam suatu program
pembuatan varietas hibrida.
Penggunaan
penanda genetik sangat membantu dalam mempercepat proses seleksi. Apabila dalam
pemuliaan konvensional seleksi dilakukan berdasarkan pengamatan langsung
terhadap sifat yang diamati, aplikasi pemuliaan tanaman dengan penanda
(genetik) dilakukan dengan melihat hubungan antara alel penanda dan sifat yang
diamati. Agar supaya teknik ini dapat dilakukan, hubungan antara alel/genotipe
penanda dengan sifat yang diamati harus ditegakkan terlebih dahulu.
Evaluasi (pengujian)
Bahan-bahan
pemuliaan yang telah terpilih harus dievaluasi atau diuji terlebih dahulu dalam
kondisi lapangan karena proses seleksi pada umumnya dilakukan pada lingkungan
terbatas dan dengan ukuran populasi kecil. Evaluasi dilakukan untuk melihat
apakah keunggulan yang ditunjukkan sewaktu seleksi juga dipertahankan dalam
kondisi lahan pertanian terbuka dan dalam populasi besar. Selain itu, bahan
pemuliaan terpilih juga akan dibandingkan dengan kultivar yang sudah lebih
dahulu dirilis. Calon kultivar yang tidak mampu mengungguli kultivar yang sudah
lebih dahulu dirilis akan dicoret dalam proses ini. Apabila bahan pemuliaan
lolos tahap evaluasi, ia akan dipersiapkan untuk dirilis sebagai kultivar baru.
Dalam
praktik, biasanya ada tiga jenis evaluasi atau pengujian yang diterapkan
sebelum suatu kultivar dilepas, yaitu uji pendahuluan (melibatkan 20-50
bahan pemuliaan terseleksi), uji daya hasil pendahuluan (maksimum 20),
dan uji multilingkungan/multilokasi (atau uji daya hasil lanjutan,
biasanya kurang dari 10). Semakin lanjut tahap pengujian, ukuran plot percobaan
semakin besar. Setiap negara memiliki aturan tersendiri mengenai bakuan untuk
masing-masing jenis pengujian dan jenis tanaman.
Calon
kultivar yang akan dirilis/dilepas ke publik diajukan kepada badan pencatat
(registrasi) perbenihan untuk disetujui pelepasannya setelah pihak yang akan
merilis memberi informasi mengenai ketersediaan benih yang akan diperdagangkan.
Perbenihan
Benih
kultivar unggul yang dirilis dikuasai oleh pemulia yang merakitnya dan hak ini
dinamakan "perlindungan varietas" atau "hak pemulia" (breeder's
right). Benih di tangan pemulia disebut benih pemulia ("breeder
seed") dan terbatas jumlahnya. Benih pemulia tersedia hanya terbatas dan
perbanyakannya sepenuhnya dikontrol oleh pemulia.