Uzay’da Tarım Yapabilmek için Bitkilerde Yapılabilecek Biyoteknolojik Değişiklikler
Eğer insanlık uzun vadeli uzayda kolonizasyon yapmayı planlıyorsa; verimli bir uzay çiftçiliği sisteminin kurulması, insanların uzayda hayatta kalması için elzem olacaktır. Bununla birlikte, mevcut mahsuller, uzay çiftliklerinde kullanım için yeterince verimli ve düşük maliyetli değildir. Bu nedenle, uzayda yetiştirilecek mahsullerin iyileştirilmesi için bir “Whole-Body Edible and Elite Plant” (WBEEP) stratejisi öneriyoruz. Bitki biyoteknolojisine dayanan bu strateji, uzayda yetiştirilmek üzere daha zengin besin maddelerine, minerallere sahip ve tüm bitkinin yenilebilir kısımlardan oluştuğu mahsuller geliştirmeyi amaçlamaktadır. Patatesin ( Solanum tuberosum L.), aşağıdaki avantajlardan dolayı uzay tarımı için en önemli adaylardan biri olduğu düşünülmektedir:
1) Patatesin insanlar için büyük miktarda enerji sağlayabilen yüksek hasat indeksi, yumru veriminin (karbonhidrat bakımından zengin) yüksek olması
2) Basit bahçecilik ve gıda işleme gereksinimlerinin yeterli olması
3) Uzayda seyahat esnasında uçuşu gelişiminin normal olarak devam etmesi yani stres faktörlerine karşı yüksek toleransının olması.
Bunların yanı sıra, patatesler yumrular yoluyla (aseksüel/ vejetatif) olarak ve tohumlar yoluyla (seksüel/generatif) olarak çoğalabilirler. Eşeysiz üreme (aseksüel/vejetatif), besin kaynaklarının yenilenmesini ve sabit besin değerini sağlarken, eşeyli üreme(seksüel/generatif) daha yüksek bir üreme katsayısını, daha düşük depolama ve nakliye maliyetleri gerektirir. Patateslerin bu güzel özelliklerinin yanı sıra; yüksek solanin içeriği, düşük verim, besleyici madde bakımından fakir olması(çoğu bitkiye kıyasla) ve yüksek gübre ihtiyacının düzenlenmesi gibi doğuştan gelen kusurlarının giderilmesi gerekmektedir.
Şekil 1: a Bütün bir bitkinin yenilebilir olduğu bir patates çeşidinin geliştirilmesi. Solaninin biyosentezini bloke etmek, onun transkripsiyonel düzenlemesini değiştirmek veya diğer metabolik yolları tanıtmak, solanin birikimini azaltabilir ve patates saplarını, yapraklarını ve meyvelerini yenilebilir hale getirebilir. b Yararlı besinlerle biyolojik olarak güçlendirilmiş bitkiler. Biofortification, endojen metabolik yolları ve astaksantin veya VLC-PUFA’ları (örneğin, arakidonik asit) biyosentetik yolları yeniden yapılandırarak modifiye ederek bitkisel besinler (örneğin flavonoidler, antosiyaninler ve karotenoidler) sağlayabilir. c Verimi artırma. Patatesin verimi, yumrulaşma, fotosentetik verim ve RNA demetilasyonu geliştirilerek arttırılabilir. d Mineral kullanım verimini arttırmak. Besin kullanım verimliliği, bitki besin emilimini, tahsisini ve metabolizmasını modüle ederek veya kök mimarisini optimize ederek geliştirilebilir. e – g Biyoteknolojik olarak geliştirilmiş WBEEP-patatesin ( e ) uzun vadeli uzay görevlerinde ( f ) ve uzay kolonizasyonunda ( g ) uygulanması bekleniyor .
Tüm Bitki Gövdesinin Tüketilmesi
Tüm bitkinin tüketilebilmesi, kolonide yaşayan insanlara daha fazla yiyecek kaynağı sağlamakla kalmayıp israfı da azaltacağı için uzay çiftlikleri için en önemli ihtiyaçlardan birisidir. Ancak bilindiği üzere patatesin sapları, yaprakları ve meyveleri yenmez. Patates bitkilerinin toprak üstü kısımları, zararlılara ve patojenlere karşı koruma sağlayan ancak insanlar için toksik olan birikmiş solanin (öncelikle α-solanin ve α-chaconine) içermektedir. Doğal şartlarda bu bitkiler için önemli olan bu bileşik yüksek kontrollü ortamlara sahip uzay çiftçiliğinde gereksiz olacaktır. Bitkinin içeriğinde bulunan solanin çıkarılırsa, tüm patates bitkisi potansiyel olarak yenilebilir hale gelir. Patates bitkilerinde solanin sentezi ve birikimini engellemek için biyosentez yolakları hedeflenir ve yapılan ufak değişikliklerle solaninin tehdidi ortadan kaldırılabilir. Bahsi geçen konu imkansız değil yapılan birkaç çalışmada; sitokrom P450 enzimi GAME4, dioksijenaz DPS veya AP2/ERF transkripsiyon faktörü GAME9’u kodlayan susturucu veya mutasyona uğramış genler solanin içeriğini büyük ölçüde azaltmıştır. Aynı familyanın bir üyesi olan domatesler de toksik solanin (öncelikle a-tomatin) görülebilir, ancak solanini meyvelerde acı olmayan ve toksik olmayan glikozit eskülozit A’ya dönüştürebilir. Solanin metabolizması, patatesler ve domatesler arasında ortak olan birkaç enzimatik reaksiyon içerdiğinden, solanin birikimini azaltmak için domateslerden solanin metabolizmasına ait genlerin patatese aktarılması ile solaninin tehdidi ortadan kaldırılabilir.
WBEEP-Patates Projesi ile Faydalı Bileşenlerce Zengin Bitkiler
Bitkisel besinler (örneğin, flavonoidler ve antosiyaninler) ve vitaminler insan sağlığı için büyük bir önem taşır. Uzayda insan vücudu daha kırılgan hale gelir ve daha fazla besine ihtiyaç duyar. Buna ek olarak, paketlenmiş gıdalardaki bazı mikro besinlerin uzaydaki depolama koşulları altında parçalanması muhtemeldir, bu da mürettebatın kararlı besin maddelerini elde etmesini zorlaştırır. Bu nedenle insanların besinlerini doğrudan taze tarım ürünlerinden elde etmeleri önemlidir. Patates yumrularındaki protein, bitkisel besin, vitamin ve diğer temel besin maddelerinin yetersiz içeriği göz önüne alındığında, insan vücudunun besin ihtiyaçlarını tam olarak karşılamak için patatesleri biyolojik olarak güçlendirmek elzemdir. Bitkiler, bahsi geçecek endojen metabolik yolların değiştirilmesiyle; vitaminleri ve fonksiyonel sekonder metabolitleri sentezleyecek şekilde geliştirilebilir:
1) Prekürsörlerin(öncüllerin) arttırılması
2) Bottleneck enzimlerinin aşırı ekspresyonu, yer değiştirmesi veya mutasyonu
3) İstenmeyen yolakların susturulması
4) Rekabet eden yolakların bloke edilmesi
5) Geri besleme inhibisyonunu azaltmak için metabolik akışın genişletilmesi
6) Transkripsiyon faktörlerinin düzenlenmesi
Yukarıdaki stratejilerin uygulanmasıyla çeşitli vitaminler, proteinler, ayrıca; kantaksantin, astaksantin veya çok uzun zincirli çoklu doymamış yağ asitleri (VLC-PUFA’lar) içeren patates çeşitleri, biyosentetik yollar yeniden yapılandırılarak geliştirilebilir.
WBEEP-Patates Bitki Veriminin Arttırılması
Yumrular, patates bitkilerinin başlıca yenilebilir kısımlarıdır. Patates tüberizasyonu karmaşık bir biyolojik süreçtir. Anahtar düzenleyiciler, fotoreseptör fitokrom B (PHYB), transkripsiyon faktörü StCO, mobil sinyaller ( StBEL5 ve POTH1 mRNA, StSP6A protein ve miR172 ) ve sakaroz taşıyıcıları StSUT4 ve StSP5G’yi içerir. StSP6A , StPOTH1 , StBEL5 ve StmiR172’nin aşırı ekspresyonu veya StPHYB , StCO , StSUT4 ve StSP5G’nin inhibisyonu tüberizasyonun iyileştirilmesi için kullanılabilir. Fotosentezin optimizasyonu, mahsullerin veriminin arttırmasında başlıca gelen yöntemlerden biridir ve patatesin yumrularının oluşması/gelişmesi de toprak üstü kısımlarından büyük miktarlarda fotosentetik ürünlere (özellikle sakaroz) ihtiyaç duyar. Bitkilerin verimlerini arttırmak için Rubisco enziminin karboksilasyon kapasitesinin geliştirilerek, karbon indirgeme döngüsünün rejeneratif kapasitesini artırılması elektron taşıma zincirinin optimize edilmesi ve oksijenasyon ve fotorespirasyonun en aza indirilerek fotosentetik verimliliğin artırılmasına yönelik çalışmalar günümüzde hala devam etmektedir (Rubisco üzerinde yapılan çalışmalar uzay için yapılan özel çalışmalar değildir örn. gıda güvenliğini ve stres faktörlerine dayanıklı çeşitlerin geliştirilmesi içinde çalışılmaktadır). Fotosentez verimliliğini arttırmak için yukarıda bahsedilen genetik mühendisliği stratejilerinin çoğu, pirinç veya tütünde başarıya ulaşmıştır ve umuyoruz ki patates içinde verimliliğin arttırmasında mümkün olabilir. Örneğin, bir rekombinant glikolat dehidrojenaz poliproteininin ekspresyonuyla yapay olarak oluşturulmuş bir fotorespiratuar baypas, fotorespirasyonu azaltarak ve CO2 alımını arttırarak; fotosentetik verimi ve yumru verimini önemli ölçüde artırabilir. Son zamanlarda, bitkiler üzerinde yapılan, RNA m6A metilasyonunun modüle edilmesi; bitki büyümesinin ve mahsul veriminin iyileştirilmesinde etkili olmuştur. İnsanda bulunan RNA demetilaz FTO’nun transgenik ifadesinin patatesteki m6A modifikasyon seviyelerinin azaltılması için kullanılmasıyla yumruların veriminde ve biyokütlesinde ~%50 oranında artışa yol açtı.
WBEEP-patates Bitkilerin Mineral Kullanımının Geliştirilmesi
Mahsullerin büyümesi ve gelişmesi; azot, fosfor ve potasyum dahil olmak üzere birçok minerali gerektirir. Gübrelerin uzaya Dünya’dan taşınmasının maliyeti çok yüksektir. Bu nedenle, gübre tüketimini azaltmak için mahsullerin ortamdan alacağı bu besinleri en yüksek verimlilikte alması gerekir. Bitkinin besinleri absorbe etmek için metabolizmasını geliştirmesi veya kök mimarisini optimize etmesi çeşitli genetik modifikasyonlarla gerçekleşebilir. NH4+ bitkilerin ihtiyaç duyduğu en önemli elementlerden biridir. Düşük organizmalardan gelen glutamat dehidrojenazlar (GDH’ler), NH4+ için daha yüksek bir afinite ve daha güçlü bir NH4+ özümseme yeteneği gösterir. NH4+ için daha yüksek afiniteye sahip olan GDH’lerin heterolog ifadesibitki GDH’leri, patatesler de dahil olmak üzere birçok mahsulün azot kullanım verimliliğini artırabilir ve mahsullerden düşük azot koşullarında yüksek verim elde edilmesini sağlayabilir. Fosfor, bitki büyümesi için oldukça önemli olan bir diğer temel elementtir ve fosfitli gübreler, patates yumrularının veriminde ve kalitesinde artış sağlar. Pseudomonas spp.’den fosfit dehidrojenazın ( ptxD ) ifadesi pirinç ve pamuğun fosfata ek olarak fosfiti metabolize etmesine izin verir ve bu enzimin patatesteki rolü keşfedilmeye değerdir. Patateslerin büyüme ve kaliteleri için azot veya fosfat gübrelerinden daha fazla potasyum gübresine ihtiyacı vardır. Arabidopsis K + kanalı AKT1 ve aktivatörlerinin heterolog ifadesi CBL1 , CBL9 ve CIPK23 , birkaç üründe topraktan potasyum alımının etkinliğini artırabilir ve K + taşıyıcı HAK5’in aşırı ifade edilmesi , potasyum sınırlı koşullar altında birçok üründe potasyum alımının verimliliğini artırabilir. Son zamanlarda, kök sistem mimarisini genetik olarak manipüle etmek, yumrulu bitkilerde besin alımını ve verimi artırmak için ortaya çıkan bir strateji haline geldi, ancak patateste kullanılabilecek genlerin çıkarılması gerekiyor.
WBEEP’den Beklenenler
Bitkilerin uzayda nasıl büyüdüğünü ve geliştiğini göstermek için çeşitli deneyler yapıldı, ancak arazide yapılan tarım geride kaldı. Şu anda Uluslararası Uzay İstasyonu 18’de yemek için sadece marul ve hardal gibi yeşil yapraklı sebzeler yetiştiriliyor. Bu nedenle, uzay çiftliklerine daha fazla bitki yetiştirebilmek için mahsullerin iyileştirilmesi gerekiyor. Kapsamlı bir şekilde uygulanan bir WBEEP çalışması, bitkinin minimum gübre tüketimiyle; yeterli ve besleyici gıda ihtiyacını sağlayabilir. Daha fazla beslenme karşıtı faktör biyosentezi mekanizmaları ortaya çıktıkça ve beslenme, verim ve gübre kullanım verimliliğini artırmaya yönelik stratejiler geliştirildikçe, WBEEP yaklaşımı daha fazla üründe uygulanabilir. Gıda için uzayda WBEEP’lerin pratik olarak yetiştirilmesi yakın zamanda mümkün olmasa da, böyle bir hedefe ulaşmak için gereken kademeli ilerlemelerin dikkate alınmasının sadece uzay tarımı için değil, aynı zamanda geleneksel tarım için de faydalı olabilir.
Kaynak: nature.com
