İklim Değişikliğini Ele Almak için Bitki Biyolojisini Kullanmak

Fotoğraf1. 11 Nisan’da MIT, karmaşık iklim sorunlarının üstesinden gelmek ve dünyaya mümkün olan en kısa sürede çığır açan çözümler sunmak için yeni bir atılım olan ilk İklim Büyük Mücadelelerinde beş çok yıllık projesini duyurdu. Bu makale, rekabetten ortaya çıkacak en umut verici kavramları ve bunların arkasındaki disiplinler arası araştırma ekiplerini vurgulayan beş bölümlük bir dizinin dördüncüsüdür

Bu çalışma, gıda mahsul bitkilerini daha sağlıklı ve daha besleyici hale getirirken tarım kaynaklı emisyonları azaltmayı amaçlıyor.

Değişen iklimimizin tarım ve gıda güvenliği üzerindeki etkisi ve çağdaş tarımın iklim değişikliğine nasıl katkıda bulunduğu  MIT’nin multidisipliner projesi olan “Düşük emisyonlu, esnek mahsullerle tarımda devrim yaratma” projesinin ön saflarında yer alıyor. Proje İklim Büyük Zorluklar yarışmasında kazanan beş projeden biri olan proje Biyoloji, Biyoloji  Mühendisliği, Kimya Mühendisliği ile İnşaat ve Çevre Mühendisliği bölümlerinden araştırmacıları bir araya getiriyor.

Ekibimin araştırması birbiriyle bağlantılı iki zorluğu ele almayı hedefliyor: birincisi, tarımsal gübre tarafından üretilen sera gazı emisyonlarını azaltma ihtiyacı; ikincisi, iklim değişikliğinin bitki metabolizması üzerindeki etkileri nedeniyle mevcut birçok tarımsal ürünün veriminin düşeceği gerçeği. Araştırmacılar değişen bir iklimde daha dayanıklı ve üretken olacak şekilde biyomühendislik yapılmış bitkileri gübrelemek için düşük emisyonlu yöntemler geliştirme konusundaki genel hedefin anahtarı olan altı disiplinler arası projeyi takip ediyor.

Whitehead Enstitüsü üyeleri, aynı zamanda MIT Biyoloji Bölümü’nde doçent olan bitki biyologları Mary Gehring ve Jing-Ke Weng, bu projelerden ikisine liderlik edecek.

Video1.

Mahsul dayanıklılığını teşvik etmek

İnsanlık tarihinin çoğu için, iklim değişikliği yüzlerce veya binlerce yıl içinde kademeli olarak meydana geldi. Bu hız, bitkilerin sıcaklık, yağış ve atmosferik bileşimdeki değişikliklere uyum sağlamasına izin verdi. Bununla birlikte, insan kaynaklı iklim değişikliği çok daha hızlı gerçekleşti ve mahsul bitkileri zarar gördü: Tahıl mahsullerindeki tohum protein içeriği gibi mahsul verimi de birçok bölgede düştü.

Gehring, “Dünya için bol miktarda besleyici gıda sağlamak istiyorsak, değişen iklimimiz karşısında hem doyurucu hem de besleyici olacak çok çeşitli mahsul bitkilerinin biyomühendisliği için temel mekanizmalar geliştirmemiz gerekiyor” diyor. Önceki çalışmasında, bitki üremesinin ve tohum gelişiminin birçok yönünün epigenetik tarafından, yani DNA dizisinin dışındaki bilgiler tarafından kontrol edildiğini göstermişti. Bu bilgiyi ve geliştirdiği araştırma yöntemlerini, mevcut gıda mahsullerinden daha verimli ve dayanıklı tohum üreten bitki çeşitleri yaratmanın yollarını belirlemek için kullanıyor.

Ancak bitki biyolojisi karmaşık ve birbirine benzemeyen ana soylarını birleştirerek sağlamlığı artıran özellikleri entegre eden bitkiler geliştirmek mümkün olsa da, bilim adamları hala yeni özelliklerin bir nesilden diğerine taşınmasının nasıl sağlanacağını öğreniyorlar. Gehring, “Sağlamlığı artıran özellikleri taşıyan bitkiler “hibrit canlılığa” sahiptir ve bu özelliklerin sürdürülmesinin epigenetik tarafından kontrol edildiğine inanıyoruz. melez canlılık, ancak bu özellikler kalıtsal değildir. Bu nedenle, günümüzün en verimli mısır çeşitlerini yetiştiren çiftçiler, her yıl yeni tohum partileri satın almalı ve ekmelidir. Ayrıca, birçok önemli gıda ürünü henüz hibrit gücün faydalarını anlamadı.”

Gehring’in öncülük ettiği “Hibrit Gücü Sabitlemek için Klonal Tohum Üretimi Geliştirme” projesi, gıda mahsul bitkilerinin hem daha sağlam hem de genetik olarak ebeveyne özdeş tohumlar oluşturmasını ve böylece faydalı özellikleri nesilden nesile aktarmasını sağlamayı amaçlıyor.

Ana ebeveyn ile genetik olarak özdeş olan tohumların klonal (veya eşeysiz) üretim sürecine apomiksis denir. Gehring,  Apomixis 400 çiçekli bitki türünde çiçekli bitki türlerinin yaklaşık yüzde 1’inde- mevcut olduğundan, apomiksis için gerekli genlerin ve sinyal yollarının ekin bitkilerinde zaten mevcut olması muhtemeldir. Bu projenin  hedefi , bitkinin üremeyi eşeyliden eşeysize çevirmesi için bu genleri ve yolları değiştirmek olduğuna değiniyor.

Proje, bir tohumun besleyici dokusu olan endospermin otonom aseksüel gelişimi ile ilgili genlerin ve yolların Arabidopsis thaliana model bitkisinde mevcut olduğu gerçeğinden yararlanacak. Arabidopsis üzerine daha önceki bir çalışmada, Gehring’in laboratuvarı, yanlış düzenlendiğinde aseksüel endosperm benzeri bir materyalin gelişimini sağlayan belirli bir geni araştırdı. “Normalde, bu tohum canlı olmaz,” diye belirtiyor. Ancak, ilgili ek genlerin ifadesinin epigenetik olarak ayarlanmasıyla, bitkinin bu materyali tutmasını ve apomiksi elde etmesine yardımcı olacağını düşünüyorlar.

Gehring ve meslektaşları, endosperm apomiksisini çok çeşitli mahsul bitkilerine sokmak için bir gen ifadesi “formülü” oluşturmayı başarırlarsa, temel ve önemli bir başarıya imza atmış olacaklar. Böyle bir yöntem, daha az gübre ve daha az böcek ilacı gerektirirken değişen ortamlarına dayanabilen yeni mahsul ırkları yaratmak ve sürdürmek için tüm tarımda uygulanabilir.

Kendi kendine gübrelenen  mahsuller yaratmak

Amerika Birleşik Devletleri’ndeki sera gazı (GHG) emisyonlarının yaklaşık dörtte biri bir tarım ürünüdür. 2018 Frontiers in Plant Science çalışmasına göre, gübre üretimi ve kullanımı bu emisyonların üçte birini oluşturuyor ve karbondioksitten 298 kat daha güçlü ısı yakalama kapasitesine sahip azot oksit içeriyor. Çoğu suni gübre üretimi aynı zamanda büyük miktarlarda doğal gaz tüketir ve yenilenemeyen kaynaklardan çıkarılan mineralleri kullanır. Bütün bunlardan sonra, azotlu gübrenin çoğu, yerel su yollarını kirleten akış haline gelir. Bu nedenlerden dolayı, bu proje, insan yapımı gübrelerin kullanımını büyük ölçüde azaltmayı amaçlıyor.

Cezbedici bir yaklaşım, küresel gıda üretiminin yaklaşık yüzde 75’ini oluşturan  topraktaki bakterilerle metabolik etkileşimlerden nitrojen çekebilen tahıl bitkileri yetiştirmektir. Whitehead Enstitüsü’nden Weng, tam da bunu yapmak için bir çabaya öncülük ediyor: mısır, pirinç ve buğday gibi genetik olarak biyomühendislik ekinleri, esasen nitrojen sabitleyici mikroplarla simbiyotik bir ilişki yoluyla kendi gübrelerini yaratıyor.

Weng, “Fasulye ve bezelye bitkileri gibi baklagiller, karbon karşılığında rizobi ​​bakterilerinden nitrojen aldıkları kök nodülleri oluşturabilir” diye açıklıyor. Bu metabolik değişim, baklagillerin çok daha az sera gazı saldığı ve çok daha az fosil enerjisi yatırımı gerektirdiği anlamına geliyor. Günümüzde kullanılan yapay olarak üretilen azotlu gübrelerin büyük bir bölümünü kullanan tahıl mahsullerinden daha fazla.

Weng, “Amacımız, baklagillerin “kendi kendini gübreleme” kapasitesini tahıl ürünlerine aktarmak için yöntemler geliştirmektir” diyor.

Resmi olarak “Hububatlarda gübre üretimi için baklagil rizobi ​​simbiyozunun taklit edilmesi” başlıklı proje, çok aşamalı, beş yıllık bir çaba olacak. Weng’in bitkilerdeki metabolik evrimle ilgili kapsamlı çalışmalarına ve baklagiller ile nitrojen sabitleyici bakteriler arasında alışverişe izin veren kök nodüllerinin oluşumunda yer alan molekülleri tanımlamasına dayanmaktadır. Ayrıca bitkilerde spesifik sinyal ve metabolik yolları yeniden oluşturma konusundaki uzmanlığından da yararlanır.

Weng ve meslektaşları, baklagiller ve rizobium bakterileri arasında meydana gelen küçük moleküllü sinyal süreçlerinin tam spektrumunu deşifre ederek başlayacaklar. Daha sonra baklagil olmayan ekin bitkilerinde benzer bir sistemi genetik olarak tasarlayacaklar. Daha sonra, en gelişmiş metabolomik yöntemleri kullanarak, baklagil köklerinden salgılanan hangi küçük moleküllerin rizobium bakterilerinden bir nitrojen/karbon değişimine yol açtığını belirleyecekler. Son olarak, araştırmacılar baklagil olmayan bitkilerin köklerindeki bu moleküllerin biyosentezini genetik olarak düzenleyecek ve bunların kökleri çevreleyen rizobium bakterileri üzerindeki etkilerini gözlemleyecekler.

Proje karmaşık ve teknik olarak zorlu olsa da, potansiyeli şaşırtıcıdır. Weng, “Yalnızca mısıra odaklanmak, azotlu gübre üretimini ve kullanımını 160.000 ton azaltabilir” diyor. Ve ilgili nitröz oksit gazı emisyonlarını yarıya indirebilir.”

Kaynak.news.mit.edu