Poliploidi Özelliği Gösteren Vahşi Tip Pirincin Evcilleştirilmesi için Gen Düzenlenmesinde Kullanılan Harita
Hepimizin bazen aynı anda birden fazla işi yapabilmeyi dilediği olur. Birden fazla işi eş zamanlı olarak halletmek, işlerimizin teslim tarihlerini kusursuz bir şekilde yakalamak ve belki yoğun hayatımızda uzun zaman önce söz vermiş olduğumuz bir arkadaşımızla gecikmiş bir kahve sözünü gerçekleştirmek. Poliploidi olarak bilinen bir genetik durum; bazı bitkiler de genomlarında bulunan ek özellikle aynı anda birden fazla işi yapabilmelerine yardımcı olmaktadır. İnsanlarda olduğu gibi çoğu bitkide diploiddir ve her kromozomdan iki set bulundururlar. Ancak poliploid bitkiler de dört, altı ve hatta sekiz set kromozom bulunabilir. Bu küçük eklemeler, bir genin farklı kopyalarının farklı roller üstlenmesine de izin verir ve potansiyel olarak zararlı mutasyonlara karşı bir kalkan görevi görür. Bu bilgiler ışığında poliploidi, çiçekli bitkilerde ortak bir evrim modu olarak hizmet etmektedir. Yu ve arkadaşlarının Cell’de yayımladıkları yazıda gen düzenlemesi ile evcilleştirilmiş bir poliploid pirincin üretilmesi için uygulanabilir bir yaklaşımın ana hatlarını çizilmştir. Bu yöntemle geliştirilebilecek bitkiler, insanlık ve gezegenimiz için en önemli mahsul türlerinden birinde poliploidinin faydalarından yararlanmamızı sağlayabilir.
İnsanlar, yüzlerce veya binlerce yıl boyunca olumlu özelliklere sahip bitkileri (örneğin tohum dağıtma mekanizmaları olan ya da daha büyük tohumları ve meyveleri olan bitkiler) yok olmaktan kurtarmış ve çoğaltarak günümüzde tükettiğimiz tüm ekin türlerini vahşi atalarından evcilleştirmiştir. Dünyanın en önemli gıdalarından biri olan pirinç: Asya Pirinci olarak bilinen Oryza sativa türünün vahşi tip atası olan Oryza rufipogon ‘dan 9.000 yıl önce evrimleşmiş olduğu düşünülmektedir. Asya’da birden fazla bölgede ve farklı süreçler de meydana geldiği düşünülen bu evrimsel olayın en büyük dayanağı her iki türün de diploid olması ve iki set halinde 12 kromozom taşımasıdır.
Bilim insanları için, poliploid pirinç geliştirme fikri, özellikle iklim değişkenliği karşısında, geleceğe yönelik mahsul iyileştirme planları için potansiyel bir araç olarak umut verici bir göreve sahiptir. Bitkinin ekstra gen kopyalarına sahip olması, olumlu özelliklerin kaybı olmadan çevredeki büyük değişikliklere yanıt olarak hızlı adaptasyon geliştirmesini sağlayabilir ancak ekili bir diploid bitkiden poliploid bir pirinç üretmek teknik olarak oldukça zorlu bir süreçtir. Tüm bunları bilen Yu ve arkadaşları tamamen farklı bir yaklaşım benimsemiştir. Araştırmacılar, O. sativa ve O. rufipogon‘un uzak, vahşi bir poliploid kuzeni ile çalışmalarına başlamış ve biyoteknolojik yaklaşımlarla bu türü evcilleştirmiştirler (Şekil 1).
Fotoğraf-1 : Geliştirilen poliploid pirince hızlı bir bakış. Yu ve arkadaşları yabani poliploid pirincin hızlı evcilleştirilmesi için yeni bir strateji geliştirmiştir(normalden farklı olarak yetiştirilen yeni bitki bir gıda ürünü olarak yetiştirilen pirincin aksine, ikiden fazla kromozom setine sahiptir). İlk adımda, gen düzenlemesi ve mahsul üretimi için uygun özelliklere sahip bir vahşi tür seçilmeklidir. İkinci adım genomik analiz ve yöntem optimizasyonu takip etmektedir. Yeni mahsul çiftçilere dağıtılmadan ve değerlendirilmeden önce; genomun dizilenmesi, geleneksel çaprazlama ve testlerin yinelemeli döngüleri daha sonra ki aşamada gereklidir. Şekildeki kırmızı vurgular, yabani pirinç Oryza alta için araştırmacılar tarafından tamamlanan yol haritasının bölümlerini göstermektedir.
Araştırmacılar ilk olarak uygun bir başlangıç suşunu belirlemek adına oldukça uzun bir süre araştırma yaptılar çünkü ideal adayın, kallus indüksiyonu ve rejenerasyona yatkın olması gerekliydi (bu süreç kısaca bitki dokusundan, yeni bitkilerin üretildiği, kallus adı verilen, kısmen farklılaşmamış hücre kültürünün üretildiği ve kültürlendiği adımdır). Seçilen adayın tüm bu özelliklere sahip olması gen düzenlemesi ve uygulanacak diğer kültür teknikleri için gereklidir. Seçilen adayın ayrıca yüksek biyokütleye ve çeşitli abiyotik ve biyotik streslere (örneğin ısı ve böcek direnci) karşı toleransa sahip olması da gerekiyordu. 28 adet poliploid yabani pirinç soyunun taranmasından sonra, bir Oryza alta suşu seçildi ve “poliploid pirinç 1 “(PPR1) olarak adlandırıldı.
Oryza alta‘nın dört set kromozomu bulunmaktadır(bu tür tetraploiddir) ve orjini Orta ve Güney Amerika’dır. Türler, diploid genomlara sahip olan, C ve D olarak adlandırılan iki atanın hibridizasyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Yu ve arkadaşları tarafından seçilen PPR1 suşu günümüzde ekimi yapılan O. sativa‘dan oldukça farklı bir görünüşe sahiptir. Örneğin oldukça uzun 2,7 metre (tipik O. Sativa’ya göre 1 metre veya daha fazla). Bol miktarda biyokütleye sahip geniş ve seyrek yapraklı, kılçıklarla(tohum yayılmasına yardımcı olduğu düşünülen dikenli çıkıntılar) süslenmiş küçük tohumlara sahiptir. Bu nedenle, bu vahşi tip akrabayı evcilleştirmek küçük bir başarı değildir.
Yu ve meslektaşları, PPR1’de gen düzenleme yöntemleriyle geliştirmiş ve suş için yüksek kaliteli bir genom dizisi oluşturmuştur. Bu gen dizisi, evcilleştirme de hedeflenecek genlerin belirlenmesine yardımcı olan bir harita görevi görmüştür. Araştırmacılar çalışmada, PPR1’i Nipponbare(günümüze kadar en geniş genetik haritaya sahip genom dizileme çalışması) O. sativa genomu ile karşılaştırdı. Nipponbare’de eşdeğerleri (homologları) olmayan C ve D genomlarının her birinde yaklaşık 10.000 gen keşfettiler. Buna karşılık, Nipponbare’deki (genomun% 70.41’i) yaklaşık 39.500 gen, PPR1’de homologlara sahipti.
Elde edilen sonuçlar oldukça umut vericiydi, çünkü O. sativa‘da bulunan evcilleştirmeden sorumlu genlerle ilgili versiyonlar muhtemelen PPR1’de de bulunmaktaydı. Araştırmacılar, O. sativa‘nın evcilleştirilmesinde rol oynadığı bilinilen PPR1’deki bu tür genlerin bir takımı düzenlendi. Bu, PPR1’de yapılan bir dizi iyileştirmeyle sonuçlandı; tohumun parçalanmaya dayalı kaybı azaltıldı(bir tohum dağıtma mekanizması ancak tohum olgunlaşmadan önce olursa çoğalmayı olumsuz etkilemektedir), böylece tohumların hasattan önce bitkiden düşmemesi sağlanmış; hasat sonrası işlemleri kolaylaştırmak için kılçık uzunluğu azaltılması; daha büyük taneler ve daha fazla verim için arttırılan tane uzunluğu; ağırlaşan taneleri desteklemek için azaltılmış yükseklik ve kalınlaştırılmış gövde çapı; gezegenimizin farklı enlemlerinde yerel adaptasyonlar için gerekli olan çiçeklenme sürelerindeki modifikasyonlar da(hem daha uzun gün hem daha kısa gün için) yapılmıştır.
Yu ve meslektaşlarının vermiş oldukları tüm bu çabalar, yalnızca birkaç nesilde evcilleştirilmiş özelliklere sahip PPR1 hatlarının üretilmesine değil, tipik olarak yüzlerce hatta binlerce yıl içinde gerçekleşen bu uzun evrimsel sürecin hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesine yol açmıştır. Çalışma, yalnızca çevresel streslere daha iyi dayanabilen türler(değişen iklim koşullarına karşı küresel gıda güvenliği için çok önemli bir özellik) değil, aynı zamanda verimi arttırmaya yardımcı olabilecek başka özellikler (örneğin gelişmiş beslenme ihtiyacı ve değişen tat algısı) taşıyabilen bitkilerin geliştirilmesi için araştırmacılara yol açıyor. Gittikçe artan gıda tüketim oranı ve gelişen(değişen) tüketim tercihlerinin karşılanması için pirinç oldukça önemli bir besin kaynağıdır. Tüm bunlara ek olarak, araştırmacıların geliştirdiği bu strateji teorik olarak, günümüzdeki diğer mahsullerin yabani akrabalarının evcilleştirilmesini sağlamak için biyoteknolojinin uygulanmasına yönelik bir yol haritası olarak görev görebilir.
Yu ve arkadaşları diğer vahşi, tetraploid pirinç türlerini de test etmeyi iple çekmekte. Araştırmacılar ve yetiştiriciler, ilerleyen süreçte geleneksel melezleme ya da genom düzenleme yöntemleriyle daha da iyileştirilmiş suşları üretebilmek için gen havuzunu genişletmelidir. Kullanılabilen, evcilleştirilmiş poliploid çeşitler oluşturulacaksa, daha geniş bir gen havuzuna ihtiyaç olacaktır. Gen havuzunun başarılı bir şekilde genişletilmesi için tercihen; belirli üretim sistemlerine uyarlanmış suşlar ya da pazarda kabul oranı yüksek türlerin tercih edilmesi gibi birçok kriterde göz önünde bulundurulmalıdır. Vahşi poliploid bitkiler, kuraklık gibi abiyotik strese dayanıklılık konusunda henüz kullanılmamış gen kaynakları olduğu için araştırmacılara çok büyük bir umut vaat etse de, bu özelliklerin, araştırmacılarında belirttiği gibi, “bu tarz bitkiye dayanıklılık sağlayan genlerin her biri” yalnızca küçük bir etki göstermektedir. Yabani pirinçlerin tam potansiyelinin değerlendirilebilmesi için bu bitkilerin genetik yapısı daha derinlemesine araştırılmalıdır.
Yetiştirilmiş poliploid pirincin ıslahı için önümüzde uzanan uzun bir yol var. Ancak bu yolculuğun ilk adımları şimdi atıldı. Hızlı ve dayanıklı gıda sistemlerine olan talep arttıkça, poliploidler de dahil yabani bitki türlerinin oldukça hızlı evcilleştirilmesi ve ıslah edilmesi, biyoteknoloji ve tarım genetiğinde kullanılabilmek adına alet çantasında değerli bir araç haline gelebilir.
Kaynak: nature.com
