Penelitian dilaksanakan bulan Mei 2013 hingga Desember 2013 di Rumah Kaca A (screen house) Fakultas Pertanian dan laboratorium Fisiologi dan Bioteknologi Fakultas Pertanian Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penelitian ini bertujuan untuk menguji ketahanan padi hitam dan padi merah pada perbedaan kelengasan tanah, untuk menguji ketahanan padi hitam dan padi merah pada media Polyethylene Glycol (PEG), untuk mengetahui korelasi ketahanan dengan kandungan prolin pada tanaman padi hitam dan padi merah.Data hasil pengamatan dianalisis menggunakan metode analisis ragam berdasarkan uji F taraf 5%. Perbandingan nilai rata- rata dengan menggunakan uji DMRT (Duncan Multiple Range Test) taraf 5%. Untuk melihat hubungan antara uji di rumah kaca dengan perbedaan kelengasan tanah (0%, 25%, 50%, 75%) dan uji di laboratorium dengan media Polyethylene Glycol (PEG) konsentrasi (0%, 10%, 15%, dan 25%) dilakukan uji korelasi. Penelitian pengaruh cekaman dengan pemberian Polyethylena Glycol (PEG) menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL). Hasil penelitian menunjukkan bahwa berdasarkan kelengasan tanah 75% Kapasitas Lapang (KL) mempengaruhi pertumbuhan tanaman, sehingga dapat digunakan untuk menguji ketahanan padi hitam dan padi merah, berdasarkan perlakuan media PEG 25% menekan pertumbuhan tanaman padi hitam dan padi merah, akumulasi kandungan prolin meningkat pada konsentrasi media PEG dengan angka korelasi sebesar 0,93 menunjukkan hubungan erat dibandingkan perlakuan perbedaan kelengasan tanah, berdasarkan analisis indeks ketahanan cekaman atau stress tolerance index (STI) menunjukkan varietas Wonogiri dengan STI sebesar 0,77 lebih toleran dibandingkan padi hitam Boyolali dengan STI sebesar 0,6 (moderat), dan Bantul sebesar 0,22 (agak peka). 
Kata kunci: padi hitam, padi merah, Polyethylene Glycol (PEG), intensitas cekaman