Potensi Kombinasi Teknologi Mutan Padi Toleran Kekeringan dan Polimer Superabsorben: Peran IPTEK Nuklir dalam Peningkatan Produksi Padi Lahan Kering Oleh : Melva theresia lubis, sp NIP. 198210312017062001 DINAS KETAHANAN PANGAN DAN PERTANIAN KOTA BINJAI 2019 Potensi Kombinasi Teknologi Mutan Padi Toleran Kekeringan dan Polimer Superabsorben: Peran IPTEK Nuklir dalam Peningkatan Produksi Padi Lahan Kering Padi merupakan sumber bahan pangan pokok, yang dikonsumsi lebih dari 95% penduduk Indonesia. Kebutuhannya terus meningkat tiap tahun, namun belum berhasil dicukupi dari produksi sendiri, sehingga masih bergantung impor hingga 1.347.856 ton per tahun. Upaya yang dapat dilakukan selain impor, adalah peningkatan produksi padi melalui ekstensifikasi dan intensifikasi pertanian. Namun 72,98% daratan Indonesia yang sesuai untuk pertanian merupakan lahan kering, tentu akan menghambat peningkatan produksi padi. IPTEK Nuklir dapat berperan dalam optimalisasi pemanfaatan lahan kering, dimana keterbatasan keragaman alami dalam pemuliaan tanaman padi toleran kekeringan, dan polimerasi serta grafting polimer superabsorben, keduanya dapat diperbaiki melalui radiasi pengion. Kombinasi teknologi mutan padi toleran kekeringan dan polimer superabsorben sangat potensial sebagai satu diantara upaya-upaya untuk meningkatkan produksi padi. Namun, upaya penerapan teknologi tersebut tentu akan menimbukan masalah karena lemahnya diseminasi teknologi inovatif, dan lambatnya adopsi teknologi. Diperlukan perhatian yang lebih besar dari peneliti, pengambil kebijakan, dan masyarakat pengguna. Kata kunci : iradiasi, kekeringan, mutasi, padi, Padi (Oryza sativa L.) merupakan satu diantara tanaman penting di dunia, terutama karena lebih dari 50% populasi dunia [1], bahkan lebih dari 95% penduduk Indonesia [2], menjadikannya sebagai sumber bahan pangan pokok (staple food). Tingkat konsumsi padi (beras) yang tinggi menjadikan kebutuhan nasional akan terus meningkat, seiring dengan laju pertumbuhan penduduk yang mencapai rata-rata 1,49% per tahun [3]. Bila diasumsikan konsumsi beras per kapita sebesar 139 kg per tahun [4], maka Indonesia harus mampu menyediakan beras minimal 36.477.396.966 ton pada tahun 2017, atau 36.969.575.916 ton pada tahun 2018. 106 Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi A Scientific Journal for The Applications of Isotopes and Radiation Vol. 13 No. 2 Desember 2017 p ISSN 1907-0322 e ISSN 2527-6433 Angka kebutuhan beras nasional yang sangat tinggi, menyebabkan Indonesia masih bergantung impor dari negara lain, seperti Vietnam, Thailand, Tiongkok, India dan Pakistan [5]. Impor terjadi karena produksi nasional belum berhasil mencukupi kebutuhan beras, meskipun telah lebih dari 70 tahun merdeka, namun swasembada beras hanya dapat dicapai pada tahun 1984 dan 2009 [6]. Berdasarkan latar belakang tersebut, maka upaya-upaya menuju swasembada beras, tentu saja masih menjadi permasalahan yang mendesak untuk diselesaikan secepatnya. Upaya yang dapat dilakukan antara lain peningkatan produksi padi melalui ekstensifikasi dan intensifikasi [7]. Namun, wilayah Indonesia yang sebagian besar merupakan lahan kering, tentu akan menjadi satu faktor yang menghambat peningkatan produksi padi. IPTEK Nuklir dapat berperan dalam optimalisasi pemanfaatan lahan kering, dimana keterbatasan keragaman alami dalam pemuliaan tanaman padi toleran kekeringan, dan polimerisasi serta pencangkokan (grafting) polimer superabsorben, keduanya dapat diperbaiki melalui radiasi pengion. Dalam tulisan ini akan dikemukakan tentang potensi ekstensifikasi dan intensifikasi pertanian tanaman padi di Indonesia, karakteristik lahan kering di Indonesia, peran IPTEK Nuklir dalam optimalisasi perbaikan sifat padi toleran kekeringan, peran IPTEK Nuklir dalam optimalisasi perbaikan polimer superabsorben, dan kombinasi teknologi mutan padi toleran kekeringan dan polimer superabsorben, yang tentu akan sangat potensial untuk dikembangkan, sebagai suatu upaya peningkatan produksi padi di lahan kering. POTENSI EKSTENSIFIKASI DAN INTENSIFIKASI PERTANIAN TANAMAN PADI DI INDONESIA Tanaman padi hingga saat ini, sebagian besar masih diproduksi di lahan sawah beririgrasi teknis dengan tingkat kesuburan tanah yang tinggi. Teknologi budidaya padi modern yang dikembangkan, tentu menjadi pembatas upaya peningkatan produksi melalui perluasan areal sawah [8]. Perluasan areal sawah dikenal dengan istilah ekstensifikasi, sebagai usaha untuk meningkatkan produksi yang dilakukan dengan merambah wilayah non pertanian (misalnya: hutan, rawa-rawa, pantai dsb.) yang dikonversi menjadi lahan pertanian, atau upaya perluasan areal dengan mengkonversi lahan bukan pertanian menjadi lahan pertanian. Ekstensifikasi semakin sulit dan mahal untuk dilakukan, terutama di pulau Jawa dan Bali, karena luas wilayah pertanian cenderung menyusut dengan adanya pembangunan sektor non pertanian, alih fungsi lahan dari sawah ke perumahan, industri dan perkantoran. Selain itu, daratan Indonesia sebagian besar merupakan lahan kering (148 juta ha; 78%), dan hanya sedikit lahan basah (40,20 juta ha; 22%) [9]. Fakta-fakta tersebut tentu saja memperkecil peluang perluasan lahan untuk pertanian, sehingga modifikasi lahan kering sebagai bagian dari intensifikasi pertanian, dapat dipandang sebagai langkah penting dan mendesak dalam rangka meningkatkan produksi padi nasional. Intensifikasi merupakan usaha untuk meningkatkan produksi per unit lahan melalui modifikasi teknis. Upaya intensifikasi antara lain penggunaan benih bermutu kultivar unggul, dan aplikasi beberapa pupuk [10]. Benih bermutu merupakan satu faktor penting yang menentukan produktivitas, karena penggunaan benih bermutu dapat meningkatkan daya hasil [11], sementara kultivar unggul dikembangkan melalui teknik pemuliaan tanaman [12]. Selain itu, intensifikasi juga berkaitan dengan modifikasi lingkungan tumbuh tanaman, seperti penggunaan pembenah tanah (soil conditioner). Pembenah tanah berfungsi memperbaiki agregat tanah, meningkatkan kapasitas tanah menahan air (water holding capacity), meningkatkan kapasitas tukar kation (KTK), dan memperbaiki ketersediaan unsur hara [13]. Kombinasi kedua teknologi tersebut berpotensi untuk dikembangkan, sebagai suatu upaya dalam pemanfaatan lahan kering. Produktivitas lahan kering tidak sematamata hanya dipengaruhi oleh kekeringan, tetapi juga sifat fisik, kimia, dan biologi tanah, serta iklim dan organisme pengganggu tanaman. Kajian yang lebih luas juga dipengaruhi oleh sarana produksi yang tepat waktu, kesadaran petani dan pemangku kepentingan lainnya dalam menerapkan pola tanam yang ideal, dan kemandirian petani yang didukung dengan harga jual produk yang baik. Namun paling tidak upaya-upaya pemanfaatan lahan kering melalui penerapan kombinasi teknologi (intensifikasi), merupakan suatu langkah awal yang menuntut untuk dikembangkan secara komprehensif, sehingga dapat diterapkan secara luas pada lahan kering marginal (ekstensifikasi). Karateristik Lahan kering merupakan satu diantara agroekosistem yang sangat potensial untuk usaha pertanian. Namun, faktor pembatas tanah seperti lereng yang sangat curam, solum tanah dangkal dan berbatu, menyebabkan tidak semua lahan kering sesuai untuk pertanian. Di Indonesia, lahan kering yang sesuai untuk budidaya pertanian hanya sekitar 76,22 juta ha (52%), dimana 23,26 juta ha (16%) sesuai untuk pertanian tanaman pangan [14]. Permasalahan dalam pengelolaan lahan kering untuk budidaya tanaman pangan, berbedabeda pada setiap wilayah. Secara umum lahan kering memiliki tingkat kesuburan yang rendah, terutama pada tanah-tanah dengan lapisan olah tipis dan kadar bahan organik rendah atau sangat rendah. Secara alami kadar bahan organik di daerah tropis cepat menurun, mungkin diakibatkan oleh erosi air dan pemadatan tanah [15]. Bahan organik sangat penting karena mendukung karakteristik lahan kering, berkaitan dengan sifat fisik, kimia, dan biologi tanah [16]. Selain itu 102,80 juta Ha (69,46%) lahan kering di Indonesia merupakan tanah masam, dengan ciri-ciri pH rendah (< 5,5), kadar Al tinggi, fiksasi P tinggi, kandungan basa-basa dapat tukar dan KTK rendah, kandungan besi dan mangan tinggi, peka erosi, dan miskin unsur biotik [17]. Tanah masam didominasi oleh ordo Inceptisols, Ultisols, dan Oxisols [18]. Lahan kering sebagian besar terdapat di dataran tinggi (pegunungan) yang ditandai dengan topografi bergelombang, dan merupakan daerah penerima dan peresap air hujan [19]. Lahan kering memiliki potensi degradasi lahan yang tinggi, terutama bila curah hujan tinggi, peka erosi, lereng curam, dan kurang adanya upaya konservasi, meskipun pada kenyataannya banyak diusahakan untuk usahatani [20]. Ketersediaan air juga merupakan faktor pembatas utama usahatani, terutama disebabkan oleh perbedaan curah hujan yang berkaitan dengan jumlah bulan basah dalam satu tahun [21]. Indonesia bagian barat lebih basah dibandingkan bagian timur, dan secara temporal terdapat perbedaan pola distribusi hujan pada musim hujan dan kemarau [22]. Lahan kering yang belum dimanfaatkan (ditumbuhi semak belukar, alang-alang, dan rerumputan) dapat diketahui penyebarannya secara spasial (GIS), melalui tumpang tepat (overlay) peta penggunaan lahan dengan peta lainnya [23]. Selain itu, overlay peta penggunaan lahan skala 1:250.000 dengan peta arahan tata ruang pertanian, menunjukkan terdapat cadangan lahan kering seluas 22,39 juta ha (7,08 juta ha untuk tanaman semusim, dan 15,31 juta ha untuk tanaman tahunan), namun secara riil lahan cadangan tersebut sulit ditemukan, terutama karena status kepemilikannya belum jelas, apakah tergolong tanah negara, HGU, HPH, tanah ulayat, atau tanah masyarakat yang diterlantarkan [17]. Oleh sebab potensi lahan kering yang sangat luas tersebut, maka diperlukan upaya serius dalam pengembangannya guna mendukung peningkatan produksi padi nasional. Budidaya padi toleran kekeringan, merupakan satu diantara upaya-upaya untuk meningkatkan produktivitas lahan kering. Kultivar padi toleran kekeringan dapat dirakit melalui teknik pemuliaan tanaman [24]. Pemuliaan tanaman yang dilakukan secara konvensional, misalnya persilangan, membutuhkan observasi keragaman alami untuk mendapatkan sifat yang diinginkan, sehingga dapat digunakan sebagai tetua persilangan [25]. Upaya tersebut hanya dapat dilakukan bila tersedia sumber genetik dan metode seleksi yang efektif. Meskipun demikian, sumber genetik dapat ditingkatkan keragamannya melalui teknik mutasi induksi [26]. Mutasi merupakan perubahan struktur dan posisi gen pada kromosom, menghasilkan perubahan fenotip dengan munculnya karakter baru, sehingga dapat digunakan dalam seleksi [27]. Kemampuan induksi perubahan permanen urutan asam deoksiribonukleat (ADN) tersebut dikenal dengan mutagenesiti, disebabkan beberapa faktor eksternal yang disebut mutagen (termasuk agen kimia dan fisik) [28]. Mutagen fisik yang banyak digunakan merupakan radiasi pengion, antara lain kosmik, gamma (ɤ) dan sinar X, selain itu terdapat partikel pengion energi tinggi yaitu alpha (α), beta (β), dan neutron, sementara cahaya ultra violet (UV) juga merupakan mutagen fisik meskipun bukan pengion [29]. 108 Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi A Scientific Journal for The Applications of Isotopes and Radiation Vol. 13 No. 2 Desember 2017 p ISSN 1907-0322 e ISSN 2527-6433 Tabel 1. Karakteristik beberapa mutagen fisik Mutagen Tipe Frekuensi (s-1 ) Tipe Energi (kJ/mol) Tipe Energi Foton (eV) Partikel - - - Alpha (α) - 4.1 x 108 - Beta (β) - 1.5 x 107 - Radiasi elektromagnetik - - - Sinar Kosmik 6 x 1021 s -1 2.4 x 109 - Sinar Gamma (ɤ) 3 x 102 s -1 1.2 x 108 1 MeV Sinar-X 3 x 1017 s -1 1.2 x 105 100 keV Ultra violet (UV) 3 x 1015 s -1 1200 4 eV Sumber: [29] Karakteristik beberapa mutagen fisik disajikan pada Tabel 1. Mutagen-mutagen tersebut secara umum merupakan sumber radioaktif berenergi tinggi yang dihasilkan dari reaksi nuklir [30]. Energi dilepaskan ketika melewati materi akibat proses ionisasi, berperan sebagai pengion atom dengan menghilangkan elektron dari atom. Proses tersebut membentuk molekul air terionisasi (H2O o- ) dan elektron bebas (e- ), kemudian membentuk radikal oOH dan Ho , bila berikatan dengan oksigen menghasilkan hidrogen peroksidase (H2O2). Sementara elektron bebas (e- ) mempolarisasi molekul air menjadi elektron terhidrasi (e-aq), dan bila berikatan dengan oksigen menghasilkan anion superoksida (O2 o- ). Radikal bebas primer (oOH, Ho ) dan radikal bebas sekunder (H2O2, O2 o- ), keduanya disebut senyawa oksigen reaktif (SOR) [31]. Radiasi pengion juga dapat menstimulasi aktivitas sintetase oksidase nitrat, yang membentuk oksidase nitrat (+NO), dan bila berikatan dengan oksigen menghasilkan anion peroksinitrat (ONOO- ), dan disebut senyawa nitrogen reaktif (SNR). SOR dan SNR dapat merusak ADN, menghasilkan beberapa perubahan, termasuk pemutusan ADN, kerusakan basa, pemecahan gula, pertautan silang, disfungsi telomer, dan bila terjadi kesalahan berpasangan, maka kerusakan akan menimbulkan mutasi, dan transformasi neoplastis, atau kematian sel [32]. Sel-sel dan individu-individu yang membawa mutasi disebut mutan [33]. Namun, kualitas mutasi (proporsi mutasi berguna) tidak berkorelasi positif dengan besar dosis, sehingga diperlukan pencarian mutasi yang diinginkan melalui seleksi [34]. Dosis iradiasi diukur dalam satuan Gray (Gy) (1 Gy = 0,10 krad = 1 J energi per kilogram iradiasi), dan dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu dosis tinggi (> 10 kGy), dosis sedang (1-10 kGy), dan dosis rendah (< 1 kGy) [35]. Selain dosis iradiasi, faktor internal (genotip tanaman) dan faktor lingkungan selama dan sesudah radiasi, berpengaruh pada ekspresi generasi pertama dan selanjutnya (tidak berubah, berkurang, atau bertambah) [36]. Lingkungan pertumbuhan tanaman padi sangat menentukan produksi, terutama karena banyak faktor pembatas yang dimiliki lahan kering. Penggunaan pembenah tanah (soil conditioner) merupakan satu diantara upaya-upaya pemulihan kualitas tanah [37]. Polimer superabsorben merupakan satu contoh bahan pembenah tanah yang mulai dikomersialisasikan sejak tahun 1980-an, terutama karena fungsinya untuk mempertahankan air dalam tanah, dan membawa nutrisi (tanaman dan tanah), lebih khusus karena memiliki karakter hidrofilik yang baik (high swelling capacity; high swelling rate), dan biokompatibilitas serta biodegradabilitas yang baik [38]. Ikatan silang menyebabkan polimer superabsorben tidak larut dalam air atau pelarut, meskipun terdapat ikatan utama yang menyebabkannya mudah menyerap air, yaitu gugus hidrofilik yang terdiri dari gugus asam karboksilat (-COOH). Peristiwa tersebut menyebabkan ion dari zat terlarut dalam polimer, misalnya COO- dan Na+ akan tertarik dengan molekul air (Gambar 1), sehingga terjadi interaksi antara polimer dengan molekul air sebagai mekanisme hidrasi [39]. Selain itu polimer superabsorben dapat diklasifikasikan berdasarkan morfologinya (serbuk, partikel, bola, serat, TT 109 p ISSN 1907-0322 e ISSN 2527-6433 Potensi Kombinasi Teknologi Mutan Padi Toleran Kekeringan dan Polimer Superabsorben: Peran IPTEK Nuklir dalam Peningkatan Produksi Padi Lahan Kering (Bagus Herwibawa dkk.) membran, dan emulsi), berdasarkan bahan penyusunnya (makromolekul alam, semi polimer sintesis, dan polimer sintesis), dan berdasarkan proses pembuatannya (polimer ikatan silang dan polimer cangkokan) [40]. Polimer-polimer superabsorben tersebut dibuat melalui proses pencangkokan (grafting) diikuti dengan kopolimerisasi menggunakan radiasi pengion [41]. Sumber radiasi yang sering digunakan dalam pengembangan polimer superabsorben adalah berkas elektron dan sinar gamma [42]. Proses polimerisasi dengan radiasi pengion dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu: (1) tahap inisiasi, radikal bebas dihasilkan radiasi pengion lalu bereaksi dengan monomer belum jenuh; (2) tahap propagasi, pertumbuhan rantai polimer dengan adanya ikatan radikal propagasi dan monomer; (3) tahap terminasi, pertumbuhan radikal propagasi sudah mengalami kejenuhan lalu terjadi reaksi penggabungan hingga setimbang dan reaksi berhenti [39]. Peran radiasi pengion hanya pada tahap inisiasi [43], dimana serapan energi radiasi umumnya menginisiasi radikal bebas yang memiliki banyak keuntungan dibanding metode konvensional [44]. Radikal bebas berikatan silang diinisiasi oleh sistem inisiator atau iradiasi energi tinggi, sehingga menghasilkan gel kopolimer yang memiliki kapasitas hidrofilik yang baik [45]. Selain proses polimerisasi, radiasi pengion juga digunakan saat proses pencangkokan. Namun pencangkokan hanya dapat dilakukan pada polimer tertentu, misalnya pada poliakrilamida dan asam poliakrilat yang memiliki gugus rantai aktif (R) (Gambar 2) [39]. Grafting dengan berkas elektron mengharuskan rasio energi yang diberikan pada material per unit panjang lebih tinggi dibanding sinar gamma [46]. Performa berkas elektron yang lebih baik juga didukung dengan kapasitas yang besar dalam pemrosesan, pengendalian luasan bahan yang akan dicangkok lebih mudah, efisiensi pemanfaatan energi yang tinggi, dan penggunaan radiasi yang tergolong aman [47]. Selain itu dosis iradiasi berpengaruh pada fraksi gel, penyerapan air (swelling ratio), dan persentase grafting [41]. Persentase ketiga parameter tersebut tentu berpengaruh terhadap perubahan karakteristik polimer superabsorbens Kedua teknologi, yaitu mutan padi toleran kekeringan dan polimer superabsorben, sebagai hasil IPTEK nuklir merupakan teknologi yang aman. Keamanan teknologi didasarkan pada batas dosis iradiasi, dan batas maksimum energi, sehingga materi tidak akan menjadi radioaktif [48]. Residu zat radioaktif dari sumber radiasi juga tidak ada, karena radionuklida sumber radiasi tersimpan rapat dalam kapsul logam berlapis, dan selama proses berlangsung materi tidak menempel pada sumber [49]. Selain itu, polimer superabsorben juga tersusun dari materi yang dapat terurai, misalnya hidroksietil selulosa dan diatomit, sehingga ramah lingkungan [50]. Berdasarkan potensi mutan padi toleran kekeringan dan polimer superabsorben yang aman dan ramah lingkungan tersebut, maka diperlukan upaya-upaya sehingga mendukung pengembangannya, dalam rangka optimalisasi pemanfaatan lahan kering untuk budidaya tanaman padi. Teknologi pertama yaitu mutan padi toleran kekeringan, bisa didapatkan melalui teknik pemuliaan mutasi. Pemuliaan mutasi dilakukan dengan mengoptimalkan keragaman sumber genetik, melalui radiasi pengion (induksi mutasi). Secara teknis, materi reproduksi diiradiasi, terjadi proses ionisasi yang menyebabkan perubahan pada jaringan, sel, genom, kromosom, dan ADN. Mutan-mutan yang didapatkan kemudian diseleksi sesuai prosedur pemuliaan tanaman [34]. Hasil penelitian menunjukkan dosis iradiasi gamma sebesar 0,35 kGy, meningkatkan toleransi padi terhadap cekaman kekeringan hingga -0,67 MPa [51], sementara dosis sebesar 0,02-0,1 kGy, mampu meningkatkan toleransi padi terhadap cekaman kekeringan hingga -0,99 MPa [52]. Selain itu, dosis iradiasi gamma sebesar 0,02-0,3 kGy juga dilaporkan mampu meningkatkan kualitas padi toleran kekeringan, misalnya intensitas aroma [53]. Teknologi kedua yaitu polimer superabsorben. Hasil penelitian menunjukkan dosis iradiasi berkas elektron sebesar 10 kGy menghasilkan swelling ratio hingga 250% [54], sementara dosis 50 kGy menghasilkan swelling ratio hingga 500% [47], Selain itu, dosis iradiasi gamma sebesar 40 kGy menghasilkan swelling ratio 44,41% [55], dosis sebesar 6 kGy menghasilkan swelling ratio 404-469% [56], dosis 4 kGy menghasilkan swelling ratio 2.026% [57], dan dosis sebesar 2 kGy menghasilkan swelling ratio 5.212% [58]. Pengaruh dosis iradiasi terhadap swelling ratio yang beragam tersebut, dipengaruhi oleh bahan dasar polimer superabsorben (makromolekul alam, semi polimer sintesis, atau polimer sintesis). Gambar 3. Ilustrasi sederhana kombinasi teknologi. Penelitian tentang kombinasi teknologi mutan padi toleran kekeringan, dan polimer superabsorben, perlu mendapat perhatian yang lebih besar oleh peneliti, pengambil kebijakan, dan masyarakat pengguna. Penelitian juga hendaknya dilaksanakan secara komprehensif, yaitu dalam satu tim terdiri dari beberapa disiplin ilmu, seperti pemuliaan tanaman, teknologi benih, agronomi, teknik nuklir, teknik kimia, agribisnis, dan komunikasi pertanian, sehingga dapat menghasilkan teknologi yang efektif, efisien, dan ekonomis (Gambar 3). KESIMPULAN IPTEK Nuklir dapat berperan dalam optimalisasi pemanfaatan lahan kering. Keterbatasan keragaman alami dalam pemuliaan tanaman padi toleran kekeringan, dan polimerisasi serta grafting polimer superabsorben, keduanya dapat diperbaiki melalui radiasi pengion. Kombinasi teknologi mutan padi toleran kekeringan dan polimer superabsorben dengan swelling ratio tinggi, tentu sangat potensial untuk dikembangkan dalam rangka meningkatkan produksi padi di lahan kering. Namun, penerapan teknologi tersebut tentu akan menimbukan masalah berupa lemahnya diseminasi teknologi inovatif, dan lambatnya adopsi teknologi. Oleh sebab itu diperlukan perhatian yang lebih besar dari peneliti, pengambil kebijakan, dan masyarakat pengguna.