BIOSISTEMATIKA TUMBUHAN MASA KINI: MENUJU SUPERIORITAS BIODIVERSITAS

Oleh

Prof. Dr. Ir. Tatik Chikmawati, M.Si

(Guru Besar Biosistematika Tumbuhan IPB/Dosen Departemen Biologi IPB)

dan

Hendrius Candra, M.Si

(Alumni Taksonomi Tumbuhan IPB /Pengajar Biologi SMAN 1 Ciampea)

Tumbuhan dengan ciri dan sifat spesifik di dunia ini sangatlah banyak sebagai bagian dari biodiversitas atau keanekaragaman hayati dunia yang lebih banyak lagi. Awalnya, pencirian, penamaan, dan penggolongannya di pelajari khusus dalam taksonomi. Seiring waktu, muncul biosistematika yang menambahkan studi hubungan kekerabatan untuk dipahami. Di era modern sekarang, perkembangan ilmu dan teknologi, telah “menciptakan” biosistematika masa kini melengkapi biosistematika tradisional sebelumnya. Inilah Biosistematika Modern: cabang ilmu biologi yang mempelajari keanekaragaman makhluk hidup dan hubungan kekerabatannya berdasarkan sejarah evolusi melalui pendekatan multidisiplin. Sedikit menyempit, Biostematika Tumbuhan dipelajari spesifik untuk organisme berciri khas utama multiseluler kompleks dan mengandung klorofil ini. Sejatinya berupa penyempurnaan, namun tetaplah berupa “perubahan” di beberapa bagian takson, baik dari posisi, keanggotaan, pencirian, hubungan kekerabatan ataupun jalur evolusinya. Tidak kalah penting adalah metode dan teknik yang menyertainya. Penambahan multi disiplin ilmu lain turut memperkuat sistemnya

Biosistematik Umum

Tahun 1900-an adalah awal mula biosistematika. Dalam konteks klasik, manusia mendata keberagaman melalui sistematika tradisional. Karena batas antar spesies terbukti kabur, sering kali terlalu sempit atau terlalu lebar, menyebabkan krisis identitas. Muncul fenomena kebingungan taksonomi. Satu variasi kecil kadang dipisah menjadi takson berbeda. Sementara variasi ekstrim justru ditemukan dalam satu spesies? Terpikir sebuah pertanyaan, “Apa yang sebenarnya menjadi penyebab variasi ini di alam bebas?”

Sepertinya harus ada aksi untuk mendefinisikan ulang pengelompokan tumbuhan. Beranjak dari akar sejarah taksonomi percobaan, kita mulai menggeser fokus penelitian dari pengamatan individu menjadi pengamatan tingkat populasi. Selanjutnya, meneliti proses evolusi dan interaksi langsung dengan lingkungan. Kemudian, menganalisis variasi genotife dan fenotife secara empiris melalui studi lapangan dan kebun percobaan.

Kini biosistematika modern telah berekspansi melampaui morfologi fisik semata. Ilmu ini mencakup kegiatan taksonomi tingkat tinggi. Menggunakan analisis presisi DNA dan RNA untuk mengunci kepastian identitas kekerabatan menjadi sebuah keharusan.

Memetakan pohon kehidupan yang nyata adalah sasaran global biosistematika tumbuhan modern. Tujuan utamanya adalah untuk mengelompokkan organisme ke dalam sistem yang merefleksikan hubungan evolusi aktual. Cabang spesies dilacak mundur untuk menemukan titik temu leluhur bersama (common ancestor). Ada aktivitas sintesis data dengan menggabungkan temuan molekuler, kimia, hingga ekologi untuk memetakan jalur kekerabatan yang paling akurat.

Biosistematika tumbuhan memberikan pemahaman dasar tentang komponen keanekaragaman hayati sehingga dapat mengungkap potensi nilai keanekaragaman hayati tumbuhan. Studi kasus pada spesies Catharanthus roseus (Tapak Dara) merupakan contoh dari nilai nyata  yang didapatkan dari pengetahuan ilmu paling dasar dari biologi ini. Pemahaman mendalam tentang kekerabatan kimianya mengungkap kandungan senyawa metabolit yang krusial. Penemuan kimiawi ini berdampak medis, sehingga spesies ini digunakan secara aktif sebagai sumber bahan kimia untuk pengobatan leukemia. Di sini dapat disimpulkan bahwa taksonomi yang presisi atau konsitensi adalah peta jalan menuju penemuan molekul berharga bagi kelangsungan hidup manusia. Nilai nyata lainnya adalah mencegah rantai kepunahan. Dicontohkan dalam dunia hewan (seirama dengan tumbuhan). Tragedi Dodo (1681), dimulai dari kedatangan manusia ke Pulau Mauritius yang mengakibatkan penggundulan hutan dan perburuan burung dodo (Rhaphus cucullatus). Di lain pihak, hewan invasif membawa dampak yang negatif terhadap habitat hingga sumber daya alam, dan burung dodo pun  punah. Pemahaman biosistematika awal bisa memprediksi dan mencegah keruntuhan ekosistem tempat sang burung berada. Caranya melalui rekonstruksi jaring-jaring makanan (interaksi ekologis), identifikasi spesies pengganti, memprediksi dampak invasi spesies asing, dan melacak kesehatan genetik populasi terisolasi.

Spesies Kupu-kupu kertas (Ornithoptera paradisea) yang endemik punah semata-mata akibat kerusakan habitat spesifik mereka. Analisis biosistematika secara presisi memandu identifikasi dan konservasi habitat kritis yang tidak boleh diganggu.

Metode Ilmiah

Penelitian taksonomi menggunakan metode ilmiah dalam langkah-langah kerjanya. Dimulai dari pengamatan atau observasi, pertanyaan, hipotesis, eksperimen, hasil dan analisis, serta kesimpulan. Eksperimen klasik dikenal dengan sebutan Uji Common Garden. Clausen, Keck dan Hiesey telah melakukannya. Dengan membawa ragam variasi tumbuhan Potentilla glandulosa dari berbagai ketinggian elevasi lalu menanamnya berdampingan di satu kebun yang sama. Hipotesis yang diajukan; jika perbedaannya hilang, itu hanya efek plastisitas lingkungan, jika perbedaannya bertahan, itu adalah adaptasi genetik murni. Hasil penelitian menyimpulkan sebagai bukti adaptasi genetik. Eksperimen membuktikan bahwa ada kemenangan genetik. Perbedaan fisik tersebut adalah adaptasi genetik yang terprogram secara DNA, bukan sekadar plastisitas sementara. Tumbuhan juga mengembangkan karakter struktural permanen. Lahirlah Ecotipe, sebagai strategi utama untuk menguasai relung habitat spesisifik dari pesisir hingga dataran tinggi. Ujung-ujungnya, sintesis akhir menyatakan biosistematika berhasil membuktikan bahwa tekanan lingkungan adalah arsitek utama yang mendorong pemisahan spesies secara evolusioner dari leluhur yang sama.

Pada biosistematika modern, ada “Mesin Penemuan” (dari eksplorasi ke evolusi) melalui 3 tahapan dasar yang mengacu pada langkah-langkah metode ilmiah dalam aplikasinya. Aktivitas pertama berupa pengumpulan data. Ada eksplorasi lapangan dan percobaan berbasis hipotesis.  Selanjutnya aktivitas kedua, analisis statistik. Data observasi diolah menjadi pola kuantitatif yang dapat diuji kebenarannya. Hasilnya berupa output taksonomi pada aktivitas terakhir. Di sinilah ditentukan penyebab variasi dan spesiasi (pembentukan spesies baru), membuat batasan taksonomi tumbuhan berupa deskripsi definitif), dan mengungkap proses evolusi historis.

Biosistematika Modern

Biosistematika modern menyatukan sejarah evolusi. Data taksonomi klasik yang terlihat pada morfologi tradisional  ditambah oleh data multi-omic berupa data genetik, molekuler, biokimia dan ekologi. Edisi komplit ini yang membuat takson-takson biodiversitas dapat menjadi superioritas. Barcode satu spesies mendekati “sempurna data” baik secara sendiri maupun berada di dalam kelompoknya.

Ada 3 pilar mandat biosistematika yang menjadi sasaran jelasnya. Dalam bidang konservasi, ilmu beraksi penting pada identifikasi prioritas. Maksudnya, bagaimana kita memutuskan tumbuhan tumbuhan yang harus dilindungi, jika kita tidak tahu apa yang dilindungi? Di sini biosistematika memberikan identifikasi presisi untuk target konservasi.

Pilar keamanan ekosistem diposisikan pada aksi melawan spesies invasif. Maksudnya, bagaimana membuat peraturan melawan ancaman spesies invasif? Biosistematika menyediakan deskripsi akurat untuk membedakan spesies invasif berbahaya dari spesies native.

Bioprospeksi dalam ekonomi berkelanjutan merupakan pilar mandat ketiga. Biosistematika memetakan keanekaragaman tumbuhan untuk memastikan manfaat bioprospeksi jatuh ke tangan yang tepat. Hal ini untuk menjawab pertanyaan, bagaimana negara berkembang memanfaatkan kekayaannya?

Alat Diagnostik Biosistematika

Spektrum pendekatan biosistematika dimulai dari spektrum makro yang terlihat. Ada spektrum ekologi dengan fokus pada interaksi spesies dengan lingkungan. Ada pula spektrum morfologi berupa ciri fisik luar yang mudah diamati. Selanjutnya, masuk ke spektrum seluler dengan resolusi tinggi. Anatomi dan sitologi termasuk di sini. Spektrum anatomi berupa struktur internal jaringan tumbuhan. Sementara spektrum sitologi berupa analisis tingkat sel dan kromosom. Yang paling sulit dalam pengamatan, karena tak terlihat adalah spektrum mikro.  Ada spektrum metabolomik (identifikasi dan kuantifikasi komprehensif metabolit kimia) dan spektrum molekuler atau genomik (analisis DNA dan arsitektur genetik).

Ada beberapa alat diagnostik yang dipakai mulai dari klasik sampai ke era molekuler pada biosistematika. Pertama, pengamatan visual terhadap ciri fisik yang menetap atau berubah di berbagai lingkungan. Ini yang dikenal sebagai stabilitas versus plastisitas. Kedua, genetika persilangan, di mana terjadi analisis pola pewarisan sifat dari eksperimen perkawinan silang terkontrol. Ketiga, Sitologi berupa penelitian tingkat seluler, membedah tingkat ploidi (jumlah set kromosom) dan hibridisasi. Keempat, metabolomik dengan aksi melacak sidik jari kimiawi organisme dari susunan senyawa sekundernya. Kelima, biologi molekuler berupa penggunaan marker mutakhir, mulai dari analisis isozim hingga perbandingan presisi sekuen genom (DNA/RNA) secara utuh.

Morfologi adalah fondasi dasar identifikasi fisik. Data morfologi merupakan tahap paling awal dari semua studi tumbuhan. Ini menggambarkan keanekaragaman spesies dalam suatu wilayah geografis. Identifikasi fisik ini memetakan keberadaan spesies untuk hipotesis kekerabatan awal dan penemuan spesies baru. Beberapa contoh aktivitas berupa variasi bentuk luar berdasarkan gradien ketinggian (ada peran ekologi sebagai penguat). Karakteristik detail tepi, urat, dan susunan daun merupakan contoh lainnya. Juga aktivitas variasi organ reproduksi sebagai penanda taksonomi primer.

Sidik jari kimiawi sebagai pendekatan metabolomik. Metabolomik mengidentifikasi dan mengkuantifikasi metabolit (senyawa organik berbobot molekul rendah) secara komprehensif. Senyawa ini berfungsi ekologis yang bertindak sebagai alat interaksi dan penanda kekerabatan. Ada 3 kelas utama metabolit sekunder yang terlibat, terpenoid (minyak essensial), fenol/flavonoid (untuk pertahanan), dan alkaloid (glukosinolat dan glikosida sianogenik).

Aplikasi ini berhasil mengelompokkan jumlah senyawa spesifik Sellaginella untuk mendefinisikan S.plana, S.ornata, dan S.willdenowii menjadi klade yang tegas.

Jejak “Re-Evolusi” juga berhasil di lacak pada Lamiaceae. Senyawa fokus adalah monoterpenoid dan sesquiterpenoid volatile sebagai komponen utama minyak esensial pada daun bunga famili ini. Ada kasus “kehilangan historis”. Jalur iridoid sempat hilang pada nenek moyang subfamili terbesarnya (Nepetoideae). Beralihlah mereka memproduksi minyak atsiri monoterpene klasik. Secara mengejutkan, pada genus tertentu seperti Nepeta, jalur iridoid volatile ini berevolusi kembali dan muncul secara independen. Inilah Re-Evolusi Sekunder.

Marka Genetik, jembatan fenotipe dan genotipe. Marka Molekuler adalah sekuen DNA atau penanda genetik pada lokasi tertentu dalam genom organisme yang dapat diidentifikasi dan diwariskan antar generasi.  Marka ini penting untuk menggambarkan keragaman genetik, menguraikan hubungan kekerabatan atau filogeni, dan sebagai strategi DNA finger printing. Marka di kelompokkan menjadi biokimia yang terdiri dari isozym dan metabolit sekunder dan asam nukleat berbasis DNA yang terdiri dari berbasis hibridisasi-RFLP, berbasis PCR-RAPD, ISSR, AFLP, dan lainnya. Yang lainnya, berbasis sekuensing-Barcode, NGS).

Paradigma biosistematika molekuler dengan marka genetik ini, tetaplah diawali dengan identifikasi morfologis, berupa pengamatan visual profil tanaman. Kemudian dilanjutkan dengan identifikasi biokimia, berupa analisis protein dan isozyme. Penghujungnya adalah identifikasi molekuler, berupa analisis sekuen genetik dan PCR.

Data molekuler di butuhkan karena karakter fisik tidak selalu mencerminkan realitas genetik. Tampilan luar sangat rentan terhadap perubahan lingkungan dan manipulasi kultivar. Semua karena ilusi morfologi. Sifat datanya yang robust (kokoh konsisten dan akurat), banyak ciri yang tersedia, serta tidak dipengaruhi lingkungan membuat marka ini sangat penting keberadannya.

Analisis genom tumbuhan berguna dalam analisis keragaman genetik. Lanjut ke genotipe kultivar dan profil molekuler yang berperan untuk pembentukan sisik jari dan Barcoding. Lebih lanjut, analisis molekuler pada struktur populasi penting dalam studi filogeni.

Rangkaian alur barcoding, dimulai dari koleksi spesimen, kemudian ekstraksi DNA, setelah itu amplifikasi PCR, lanjut ke sekuensing barcode, dan diakhiri analisis data dan identifikasi.

Kesimpulan bahwa keragaman genetik buah Kweni di Sumatera tergolong rendah sehingga membutuhkan langkah pelestarian segera untuk memastikan kelangsungan populasinya merupakan salah satu contoh analisis marka molekuler Inter Simple Sequence Repeat (ISSR) yang mengesankan konservasi.

Superbarcoding dan Filogenomik

Ini menjadi pemuncak biosistematika modern sekarang. Pohon kehidupan tumbuhan dipetakan dari genom kloroplas hingga transkriptom skala besar. 

Superbarcoding mendefinisikan ulang identifikasi spesies melalui pembacaan genom kloroplas lengkap. Kekuatannya ada pada pemberian informasi genetik yang lengkap, hasil identifikasi yang sangat akurat, dan dibangunnya pemahaman  hubungan filogenetik yang kuat. Di lain pihak tentu saja ada tantangan yang mesti dihadapi berupa keperluan biaya sekuensing yang tinggi dan analisis data yang jauh lebih kompleks di banding barcode lokus tunggal!

Berbicara tentang ini semua, kita tertuju pada sebuah “material” yang bernama Plastom. Ini adalah materi genetika atau DNA yang terdapat secara eksklusif dalam organel plastid (kloroplas). Plastom bertindak sebagai pusat energi dan gudang informasi genetik tumbuhan. Fungsi kritisnya luar biasa, mengandung gen-gen kunci yang mengontrol produksi energi tumbuhan melalui proses fotosintesis. Tren terkini menunjukkan jumlah genom kloroplas yang berhasil diurutkan melonjak drastis seiring kemajuan pesat teknologi sekuensing DNA.

Teknologi sekuensing merakit potongan genom menjadi satu peta genetik utuh, melalui pendekatan sekuensing pendek (fragmen saling tumpang tindih, guna menyimpulkan urutan akhir) dan panjang (seluruh susunan berulang beserta wilayah pengapitnya secara langsung, yang dapat mengurangi kompleksitas perakitan.

Studi kasus pada spesies Torreya, berupa pemetaan arsitektur lengkap genom kloroplasnya merupakan contoh berhasil superbarcoding. Peta gen, distribusi geografi lintas benua, dan mutasi DNA yang merekam titik waktu perpisahan spesies serta pergerakan benua berhasil di selesaikan dengan sangat bagus.

Filogenomik adalah filogenetik dengan ribuan gen menggunakan data DNA nuclear masif. Filogenomik dapat memperluas analisis dari satu genom organel menuju ribuan gen inti. Hasil resolusi taksonominya jauh lebih tinggi. Lebih hebat lagi, mampu mengungkap sejarah evolusi yang kompleks. Juga mampu mengklasifikasikan spesies secara presisi, dan memahami perkembangan mutakhir kekerabatan antar spesies.

Data raksasa pada filogenomik “dipercayakan” pada “Duo Super” (Supermatriks dan Supertree). Supermatriks menggabungkan data sekuens mentah dari berbagai gen menjadi satu blok raksasa untuk analisis simultan. Kekuatannya lebih beresolusi tinggi dalam menyelesaikan hubungan kekerabatan. Kelemahan utama ada pada komputansi besar jika banyak data yang hilang. Di lain pihak, Supertree menyimpulkan pohon spesifik - gen terlebih dahulu, lalu menggabungkannya menjadi konsesus akhir.  Kekuatannya terletak pada penanganan missing data atau data yang hilang, dengan jauh lebih efisien. Kelemahan teap ada, pada kerentanan terhadap peningkatan sinyal berlebih dan berkurangnya pembenaran statistik pada beberapa algoritma.

Proyek-proyek raksasa pemuncak biosistematika modern terdapat pada: Angiosperms353, yang menjadi standar emas pengayaan target untuk tumbuhan berbunga. Proyek ini menggunakan perangkat probe pengayaan target yang universal untuk diterapkan. Fokusnya berisikan 353 gen inti (nDNA) berkopi rendah. Ini semua digunakan sebagai perangkat akses terbuka dalam proyek raksasa PAFTOL (the Plant And Fungal Trees Of Life) untuk membangun pohon filogenetik yang komprehensif.

Proyek lain adalah Proyek 1KP, mensintesis ribuan transkriptom untuk menyingkap rahasia evolusi tumbuhan hijau. Misi utamanya adalah merekonstruksi sejarah evolusi Alga, Lumut, Paku, Gymnospermae dan Angiospermae.  Hasilnya luar biasa melalui beberapa temuan utama. Akar kuno; mengonfirmasi titik percabangan evolusi utama dan memecahkan kekerabatan awal tumbuhan darat. Poliploidi; menunjukkan bahwa duplikasi seluruh genom terjadi berulang kali sepanjang evolusi Angiospermae dan Paku-pakuan. Ekspansi gen; mengungkapkan ekspansi besar-besaran keluarga gen yang mendahuui asal-usul tumbuhan hijau dan berpembuluh.

Filogenomik berhasil memecahkan hubungan kompleks antar garis keturunan tumbuhan. Bukti kuatnya terdapat pada analisis terkini yang mengonfirmasi Monofili lumut yang membuktikan bahwa lumut sejati (mosses) dan lumut hati (liverworts) membentuk kelompok alami yang sah. Selain itu, dengan resolusi tinggi, data berskala genom menciptakan pohon evolusi mendetail yang mengoreksi asumsi taksonomi masa lalu.

Pohon filogenetik pada biosistematika modern juga sukses menempatkan tonggak inovasi biologis pada peta sejarah bumi. Menggunakan skala waktu geologis, Inovasi awal, adalah adaptasi pertama di darat dengan biosintesis sporropollenin. Kemudian menuju Kolonisasi daratan, ketika terjadi metabolisme phenylpropanoid dan biosintesis lignan. Selanjutnya pembentukan Struktur penopang. Biosintesis lignin dan diversifiksi peroksidase pada garis keturunan tracheohyta, terjadi. Puncak evolusi terjadi saat munculnya struktur kompleks pada Gymnospermae dan Angiospermae! Superioritas biodiversitas dilacak dengan  superbarcoding.

Bagaimana Peran Teknologi Digital Terakhir dan AI?

Peran Teknologi Digital terakhir dan Artificial Inteligen (AI) mungkin dimasukkan juga guna menambah kekuatan super ini. Teknologi digital dan kecerdasan buatan (Artificial Intelligence / AI) mempercepat analisis data genetik dan identifikasi spesies secara otomatis dalam biosistematika modern.  Analisis genomik cepat. AI mengolah data sekuens DNA yang besar untuk melacak hubungan kekerabatan antar-organisme secara akurat. Identifikasi spesies otomatis. Komputer mengenali morfologi atau suara hewan dan tumbuhan dari foto maupun rekaman suara lapangan. Pengelolaan basis data global. Pangkalan data digital menyimpan jutaan catatan spesimen museum dan taksonomi yang bisa diakses peneliti di seluruh dunia. Pemodelan distribusi spesies, Algoritma memprediksi habitat dan evolusi makhluk hidup berdasarkan perubahan lingkungan serta data iklim.

Akhirnya, dapat disimpulkan bahwa biosistematika tumbuhan memberikan pemahaman dasar tentang komponen keanekaragaman hayati sehingga dapat mengungkap potensi nilai keanekaragaman hayati tumbuhan. Pendekatan molekuler yang menggunakan data DNA, termasuk plastom, telah berhasil digunakan dalam mendeskripsikan keragaman genetik, yaitu sidik jari (barkode), pemecahan masalah taksonomi, serta menyimpulkan hubungan kekerabatan tumbuhan. Output biosistematika diperlukan untuk secara efektif menentukan pemanfaatan keanekaragaman hayati yang tepat, dapat diprediksi, dan berkelanjutan. Keanekaragaman hayati yang tinggi di Indonesia yang belum dijelaskan merupakan peluang besar bagi para peneliti biosistematika. Ketika identitas dan potensi tanaman telah terungkap, teknologi dan metode budidaya yang tepat yang efektif, efisien, dan ramah lingkungan dibutuhkan untuk produksi tinggi dan lingkungan yang berkelanjutan. (Tatik Chikmawati-sumber utama dan Hendrius Candra)