Aplikasi Teknologi Penyuntingan Genom Dalam Penghasilan Varieti Padi Baharu

Penulis: Nurulhikma Md Isa¹, (PhD), Amirah Mohamad Sidik² (PhD), Zamri Zainal³ (PhD)

Jabatan Sains Biologi dan Bioteknologi, Fakulti Sains dan Teknologi, UKM¹’²’³

Keterjaminan makanan seringkali menjadi topik hangat di kalangan komuniti sains, pembuat dasar dan masyarakat amnya. Setelah masyarakat  dunia reda dari ancaman pandemik Covid-19, isu perubahan iklim kembali menjadi tajuk utama kerana ia merupakan masalah sebenar sekaligus mempunyai impak negatif kepada penghasilan produk pertanian.Tambahan pula, situasi peperangan yang berlaku di negara pengeksport makanan akan mengancam keterjaminan makanan nasional dan akan menggangu kestabilan negara sekiranya tidak diberi jalan penyelesaian sewajarnya. Isu produktiviti pertanian dan keterjaminan makanan perlu diberi fokus yang lebih terutamanya bagi tanaman ruji utama penduduk Malaysia iaitu padi. Kadar sara diri atau Self-Sufficiency Rate (SSR) bagi bekalan komoditi makanan utama negara iaitu beras mencatatkan sebanyak 62.6 peratus (The Malaysian Insight, 2023) dan selebihnya diimport dari negara luar. Berdasarkan statistik ini, pelbagai usaha telah ditingkatkan melalui Kementerian Pertanian dan Keterjaminan Makanan (KPKM) untuk memastikan bekalan beras sentiasa mencukupi bagi permintaan dalam negara. Untuk mencapai hasrat tersebut, beberapa pendekatan telah diambil antaranya  i) mengamalkan pengurusan pertanian yang baik,  ii) program membantu petani kecil dalam mengusahakan sawah bagi memastikan hasil tuaian tinggi dan iii) penghasilan baka baru padi yang lebih bermutu tinggi dan berdaya tahan terhadap cuaca ekstrem.

Dalam Dasar Bioteknologi Negara 2.0 (2022-2030) yang dilancarkan, Kerajaan berhasrat untuk memanfaatkan Bioteknologi dalam usaha menjadikan Malaysia negara berteknologi tinggi dan dapat memacu ekonomi negara selaras kemajuan revolusi perindustrian keempat (4IR). Gelombang baru bioinvoasi ini merangkumi bidang biomolekul, biosistem, kecerdasan buatan, biomachine interface dan biocomputing. Bioteknologi Pertanian adalah merupakan salah satu subsektor bioteknologi yang diberikan pemfokusan yang khusus dalam Dasar Bioteknologi Negara 2.0   bagi menangani isu berkaitan keterjaminan makanan. Pendekatan yang perlu diambil dalam Bioteknologi Pertanian adalah melalui aplikasi pelantar yang telah berjaya dipelopori oleh negara maju. Antaranya adalah penggunaan pelantar penjuruteraan genetik dalam aspek penambahbaikan tanaman.

Teknologi ini telah pun digunakan secara meluas di luar negara seperti Amerika Syarikat contohnya dalam membangunkan tanaman jagung yang membawa gen Bacillus thuringiensis (Bt) yang boleh menghasilkan toksin yang bertindak sebagai racun serangga terhadap seranggan serangga pengorek batang jagung. Protein (toksin) ini bertindak dengan mengganggu sistem penghadaman serangga dan akhirnya menyebabkan kematian. Kebaikan Toksin Bt ini ialah disebabkan mekanisme tindakannya  sangat spesifik dan mempunyai julat ketoksikan yang berbeza terhadap invertebrata, dan larva serangga dalam order Lepidoptera serta Coleoptera (kumbang). Mod tindakan racun serangga berlaku apabila toksin Bt mengikat kepada reseptor pada lapisan perut serangga yang terdedah, lalu menyebabkan lisis (pemecahan sel) pada dinding perut serangga. Kerosakan pada saluran penghadaman serangga ini akhirnya menyebabkan kematian. Ini sekaligus dapat mengurangkan keperluan penggunaan racun serangga dalam pengurusan tanaman dan boleh memberi manfaat kepada alam sekitar.

Selain itu, satu lagi pelantar bioteknologi yang boleh diaplikasikan dalam menghasilkan varieti baru tanaman padi adalah melalui pelantar penyuntingan genom iaitu CRISPR/Cas9. Melalui penyuntingan genom secara spesifik, CRISPR-Cas membolehkan manipulasi genetik dilakukan dengan jitu terhadap spesies tanaman tertentu berdasarkan jujukan genomnya. Teknologi ini pertama kali dijumpai di dalam sistem bakteria dan merupakan mekanisme pertahanan imun semulajadi untuk melindungi bakteria daripada serangan DNA asing seperti bakteriofaj. Teknologi ini membolehkan proses mutagenesis dilakukan dengan tepat pada lokasi genom dengan memanfaatkan mekanisme baikpulih DNA secara semula jadi pada bahagian DNA yang terpotong pada genom. Mutasi yang dihasilkan melalui proses ini akan  diwarisi secara stabil pada keseluruhan organisma dan tidak melibatkan penambahan DNA asing daripada organisma lain.

Dengan mengambil kira ledakan set data omik dan perlombongan pangkalan data (data mining), dijangka pelantar penyuntingan genom seperti CRISPR-Cas9 akan  memberikan ruang yang luas kepada penyelidik dalam usaha mempercepatkan pembangunan varieti baru khususnya bagi tanaman padi yang membawa ciri ketahanan terhadap pelbagai tekanan persekitaran disamping mengekalkan hasil yang tinggi dan lestari terhadap alam sekitar. Teknologi penyuntingan genom CRISPR-Cas, yang berasal dari prokariot ini dijangka akan mencetuskan revolusi pertanian selepas revolusi hijau 1970 an di mana melalui pelantar ini penambahbaikan tanaman dapat dilakukan dengan jitu dan cepat.  Teknologi ini dilihat mampu menghasilkan ciri tanaman yang baik dan memenuhi keperluan petani.

Di UKM, kumpulan penyelidikan kami telah cuba memanfaatkan maklumat kefungsian gen yang diperoleh melalui penerokaan maklumat perpustakaan dan jujukan genom dalam pangkalan data bagi tujuan penghasilan beberapa varieti padi baru yang mempunyai ciri yang diminati.  Ini dapat dilakukan dengan mensasarkan beberapa gen bagi setiap varieti yang dibangunkan (Jadual 1). Antaranya seperti pembangunan sgRNA untuk menyunting gen OsSWEET14 dan OsSWEET11, yang terlibat dalam ketahanan terhadap penyakit bakteria yang disebabkan oleh Xanthomonas oryzae. Banyak kajian juga turut melaporkan penggunaan teknologi ini dalam membantu peningkatan ketahanan padi terhadap penyakit karah, yang disebabkan oleh kulat ascomycete Magnaporthe oryzae, dengan cara mensasarkan gen ERF dalam padi (OsERF922) secara mutagenesis melalui teknologi CRISPR/Cas9.

Selain itu, penumpuan terhadap penambahbaikan ciri penggunaan nitrogen yang cekap melalui penyuntingan genom juga penting dalam penanaman padi (Jadual 1). Seperti sedia maklum, nitrogen merupakan komponen utama dan penting dalam perkembangan padi dan selalunya dibekalkan dalam bentuk baja kimia. Penggunaan baja nitrogen berlebihan boleh menyebabkan masalah alam sekitar seperti pencemaran air, pelepasan gas rumah hijau (terutamanya nitrus oksida), dan pengasidan tanah. Dengan meningkatkan Kecekapan Penggunaan Nitrogen (NUE) oleh padi, dilihat dapat membantu mengurangkan kesan negatif kepada alam sekitar dengan mengurangkan jumlah nitrogen berlebihan yang mungkin meresap ke dalam saliran air. Penghasilan varieti padi yang cekap menyerap dan mengangkut nitrogen semasa fasa perkembangan dapat membantu dalam penghasilan hasil akhir yang baik disamping dapat mengurangkan kebergantungan terhadap baja kimia dan mengurangkan kesan negatifnya terhadap ekosistem. Ini sekaligus dapat menyumbang kepada amalan pertanian yang lebih lestari.

Antara ciri menarik penambahbaikan padi yang diberi perhatian menggunakan teknologi penyuntingan genom juga adalah penghasilan varieti padi dengan kandungan indeks glisemik yang rendah (Jadual 1). Ini kerana, di Malaysia nasi adalah merupakan makanan ruji rakyatnya, oleh itu usaha menghasilkan beras dengan nilai indeks glisemik yang rendah boleh menawarkan alternatif yang lebih sihat tanpa perlu mengubah secara ketara tabiat pemakanan tradisional. Nasi dengan kandungan indeks glisemik yang rendah juga bagus untuk pengawalan gula dalam darah dan pengurusan berat badan yang ideal. Ini kerana, nasi yang mengandungi kandungan glisemik yang rendah dapat dicerna dan diserap dengan lebih perlahan, menyebabkan peningkatan gula dalam darah berlaku secara perlahan dan berperingkat berbanding dengan lonjakan mendadak. Ianya sekaligus dapat membantu mengekalkan paras glukosa yang stabil dan mengurangkan risiko kerintangan insulin.

Antara contoh ciri penting yang menjadi tumpuan di dalam program penambahbaikan padi di Malaysia terhadap perubahan iklim adalah untuk menghasilkan varieti yang tahan kemarau supaya dapat beradaptasi dalam keadaan musim kemarau dan panas yang panjang. Ini kerana, padi sawah tumbuh semi-akuatik dan memerlukan pengairan yang banyak semasa fasa perkembangan dan kemarau sudah semestinya akan memberikan kesan negatif kepada sumber pengairan utama padi. Perkara yang diambil kira selalunya adalah perubahan morfologi yang dapat dikesan pada tumbuhan seperti akar menjadi tebal dan panjang untuk membantu pencarian dan penyerapan air dengan cekap. Manakala contoh ciri fisiologi pula adalah seperti kecekapan penutupan stomata bagi mengelakkan kehilangan air disamping dapat mengekalkan kadar fotosintesis yang baik. Perubahan ini semua boleh dilakukan secara manipulasi genetik melalui teknologi penyuntingan genom dengan cara mutagenesis spesifik kepada gen pengawalatur proses yang terlibat.

Dari segi polisi dan perundangan aspek biokeselamatan dan biosekuriti, di Malaysia khususnya, Jabatan Biokeselamatan telah ditubuhkan pada tahun 2010 untuk memantau semua aktiviti berkaitan biokeselamatan/bioteknologi moden yang menggunakan organisma terubahsuai genetik (LMO) dan juga mengawal kemasukan bahan ini daripada luar untuk kegunaan dalam negara (produk akhir makanan, penggunaaan penyelidikan tertutup, dan penggunaan penyelidikan di lapangan). Jabatan ini juga adalah Urus Setia kepada Lembaga Biokeselamatan Kebangsaan (LBK) dan Jawatankuasa Penasihat Pengubahsuaian Genetik (GMAC). Ini membuktikan Malaysia juga mengambil berat dalam penilaian dan pengawalan aktiviti berkaitan biokeselamatan/bioteknologi moden untuk menjamin penggunaannya adalah terkawal dan tidak memberi impak negatif kepada alam sekitar dan hidupan lain.

Walaubagaimanapun, tidak dapat dinafikan terdapat persepsi masyarakat dan gerakan yang menolak penggunaan tumbuhan dan makanan terubah suai genetik atas sebab dan kerisauan tertentu. Antaranya merujuk kepada kes penggunaan jagung Bt di US iaitu kebimbangan orang ramai mengenai kesan penanaman jagung Bt terhadap organisma bukan sasaran (seperti serangga berguna) dan alam sekitar, peningkatan kerintangan serangga perosak terhadap toksin Bt yang dihasilkan serta kesan Bt terhadap kesihatan manusia. Namun, kesemua isu yang dibangkitkan ini telah diberi perhatian dan mempunyai kawalan serta penilaian risiko yang ketat daripada agensi biokeselamatan dan biorisiko yang diberi kuasa. Contohnya The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) iaitu sebuah agensi perlindungan alam sekitar di Amerika Syarikat telah membenarkan penanaman jagung Bt setelah mengenalpasti data yang dikumpul bahawa penanaman jagung Bt tidak memberikan kesan mudarat terhadap serangga lain.

Secara kesimpulannya, aplikasi teknologi penyuntingan genom seperti CRISPR-Cas9 terbukti boleh memberi manfaat terutamanya di dalam penambahbaikan tanaman padi dan berpotensi menawarkan penyelesaian kepada cabaran utama bidang pertanian masa kini iaitu keadaan iklim yang tidak menentu. Walau bagaimanapun, untuk memastikan teknologi ini dapat dimanfaatkan sepenuhnya, pemahaman dan penerimaan masyarakat terhadap penggunaan teknologi baru adalah amat penting. Hal ini hanya dapat dicapai jika para penyelidik di dalam bidang dan pembuat dasar mendekati masyarakat dan memberi penerangan berkenaan teknologi ini supaya masyarakat lebih memahami penggunaan dan kelebihannya melalui sumber yang betul. Dengan melibatkan komuniti, pembuat dasar, dan penyelidik di dalam perbincangan, kepercayaan dan sokongan penggunaan teknologi ini untuk kebaikan masyarakat dapat dicapai.