herbisitlere dayanıklı transgenik bitkiler

HERBİSİTLERE DAYANIKLI
TRANSGENİK BİTKİLER
GİZEM HACIMUTO
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
BİYOLOJİ BÖLÜMÜ
YABANCI OT NEDİR?
Tarım alanlarında bulunan ve yarardan çok zarar veren bütün bitkiler olarak
tanımlanabilir.
Hububat, meyve, sebze ve bağlarda yabancı otlara bağlı olarak gözlenen
ürün kayıpları oldukça önemli seviyelerdedir.
Yabancı ot mücadelesinde kullanılan başlıca yöntemler;
a-mekanik,
b-fiziksel,
c-biyolojik ve
d-kimyasal yöntemler olarak sınıflndırılabilir.
Bunlardan kimyasal yöntem sentetik/doğal yabancı ot
öldürücüler (HERBİSİTLER) ile gerçekleştirilen, etkinliği ve
ekonomik olması nedeniyle en yaygın yabancı ot mücadele
yöntemidir.
HERBİSİD NEDİR?
Herbisidler, pestisit grubu içerisinde bulunup bitkilere toksik etkisi bulunan,
genellikle sentetik bir organik kimyasal ya da yaşayan organizmalardır.
Ne amaçla kullanılır?
Bitki (çalı, yabani ot, rakip ve istenmeyen ağaçlar gibi vejetasyonun)
büyümesi, kontrolü veya öldürülmesi için kullanılılır.
Herbisitler seçici olabilir ve seçilen türü öldürürler ya da geniş spektrumlu
olup seçici davranmazlar ve tüm bitkileri öldürürler. Seçici herbisitler, ise
belirli hedefleri öldürürler.
Bir kimyasalın ticari açıdan herbisit olarak nitelendirilebilmesi için;
a)Geniş bir yabancı ot populasyonuna karşı etkin olması,
b)Kültür bitkisine, memelilere ve omurgasız canlılara karşı toksik etki
göstermemesi,
c)Ekosisteme en az seviyede toksik etki vermesi , toprakta kalıcılığının
kısa olması,
d)Üretim maliyetinin düşük olması gerekmektedir.
Herbisitler, nihayi hedefi olan bitkiye zarar verdiklerinden dolayı, bitki
üzerinden beslenen ve barınan tüm canlıları olumsuz etkilemektedir.
Bu nedenle herbisitler, pestisitler içerisinde doğaya en fazla zarar veren
grup olarak nitelendirilirler.
Ancak çoğu insektisit insan ve hayvanlar için toksik olmalarına karşın
herbisitler bu organizmalar üzerinde toksik etki yapmamaktadır.
Herbisitler genellikle bitkilere özgün biyokimyasal yolları etkilemekle
birlikte değişik etki mekanizmaları olan farklı grup herbisitler de
mevcuttur.
Herbisitlerin hedef aldıkları sistem ve hedef moleküller
Etkili madde
Etkilediği sistem
Hedef Protein
Spektrum
Sulfonilurea
Alifatik amino asit sentezi
Asetolaktat sentaz
seçici
İmidazolinon
Alifatik amino asit sentezi
Asetolaktat sentaz
seçici
Glifosat
Aromatik amino asit sentezi
5-enolprivil-shikimate-3-fosfat
sentaz (EPSPS)
total
Phosfinotrisin (PTT)
Glutamin sentezi
Glutamin sentaz
total
Triazin
Fotosentez (fotosistem-II)
QB proteini
total
Bromoxinil
Fotosentez (fotosistem-II)
QB proteini
total
Bipiridiliumlar (paraquat)
Fotosentez (fotosistem-I)
Ferrodoksin
total
Ariloksifenoksipropionat
Lipid sentezi
Asetil coenzim A karboksilaz
(ACCase)
seçici
Fenoksiasetik asitler (2,4-D)
?
?
seçici
Dinitroanilinler
Hücre bölünmesi
Tübilin
seçici
Bipiridilumlar, paraquat, diquat
Fotosentez (fotosistem-I)
Elektron transfer sistemi
total
Herbisite dayanıklı bitki nedir?
Kültürdeki bitki hücrelerinin ya da bir tür veya daha büyük bir takson
içindeki bir bitki populasyonunun, normal yaşam siklusu sürerken, yabani
ırkın dayanabileceği dozdan daha fazla herbiside dayanabilme
kabiliyeti, özelliği ya da kalite özelliğine sahip bitkilerdir.
Niçin herbisite dayanıklı bitki?
Pazar payları % 60 olan Dünyanın 7 en büyük agrokimyasal şirketi GM
bitkiler üretmektedirler. Yıllık herbisit satışları 5 milyar $’ a ulaşmış olup
yeni GM bitkilerin oluşturulması ile bu rakam artış gösterecektir.
Ürün veriminin % 20 si böcek ve hastalık kayıpları iken % 20 si yabancı
ot nedeniyle olan kayıplardır.
GM bitkilerin üretilme amacı;
Total herbisitlerin tarlada kültür bitkileri de dahil tüm bitkileri öldürebilmesi,
Herbiside dayanıklı bitki üretimi ile kültür bitkilerine zarar vermeksizin
yabancı ot kontrolü amacıyla geniş spektrumlu herbisitlerin
kullanımının sağlanabilmesi.
HERBİSİTLERE DAYANIKLI BİTKİ ELDE EDİLMESİ
Kültür bitkilerine herbisitlere karşı dayanıklılık kazandırılması
yönünde yapılan çalışmalarda 3 değişik strateji izlenmektedir:
1. Hedef molekülün modifikasyonu
2. Hedef molekülün fazla üretimi
3. Etken maddenin detoksifikasyonu
Bu stratejilerden ilk iki tanesi herbisitin etkilediği hedef molekülün
aktif maddeden korunmasına yönelik olup üçüncü stratejide ise aktif
maddenin farklı bir bileşiğe çevrilerek etkenliğinin ortadan
kaldırılmasını amaçlamaktadır.
Bu stratejilerin başarılı olarak uygulanabilmesi için,
•moleküler biyoloji,
•genetik mühendisliği,
•genetik transformasyon,
•bitki doku kültürü
yöntem ve uygulamalarının birlikte kullanılması gerekmektedir.
hedef gen klonlanması
moleküler biyoloji
uygun bir transformasyon
vektörünün oluşturulması
genetik mühendisliği
uygun bir gen aktarım sistemi ile
kültür bitkisinin genetik
transformasyonu
genetik transformasyon
kültür bitkisinin rejenerasyonu,
bitki doku kültürü
1)Hedef molekülün modifikasyonu
Amaç herbisitin aktif maddesinin hedef aldığı proteinin modifikasyonu
(proteinin aktif maddeye duyarsız hale getirilmesi)dur. Böylece kültür
bitkilerine, normal hücresel fonksiyonunu yerine getirebilen fakat
herbisitin aktif maddesince etkilenmeyen, yeni bir protein sentezlettirilir.
Bu çalışmalarda iki farklı yaklaşım gözlenmektedir:
1. Hedef proteinin sentezinden sorumlu gen kültür bitkisinden izole edilip
manipüle edildikten sonra tekrar kültür bitkisine aktarılır.
2. Hedef proteinin sentezinden sorumlu gen, herbisite dayanıklılık gösteren
bir diğer organizmadan izole edilip kültür bitkisine aktarılmaktadır.
(1)
Hedef genin kültür bitkisinden izolasyonu
↓
Hedef genin manipülasyonu
↓
Manipülasyonu yapılan genin ,
gen aktarım vektörüne klonlanması
↓
Vektör aracılığı ile hedef genin bitki hücrelerine aktarımı
↓
Transgenik bitkilerin rejenerasyonu ve seçimi
(2)
Herbisite dayanıklı organizmanın belirlenmesi
↓
Hedef genin organizmadan izolasyonu
↓
Hedef genin vektöre klonlanması
↓
Vektör aracılığı ile genin bitki hücrelerine aktarımı
↓
Transgenik bitkilerin rejenerasyonu ve seçimi
Bu stratejiler izlenerek :
•mutant ALS genleri kullanılarak sulfonilurea tipi herbisitlere dayanıklı
transgenik bitkiler,
•psbA geni (Triazine dayanıklı yabancı otlardan ve siyanobakterilerden izole
edilen) tütüne aktarılarak triazine dayanıklı transgenik bitkiler,
•Mutant aroA geni tütün ve domatese aktarılarak Glifosata dayanıklı
transgenik bitkiler,
•Memelilerde P450 monooksigenaz enziminin sentezinden sorumlu genin
(ilaçları metabolize eden) tütüne aktarılması ile herbiside dayanıklı
transgenik bitkiler,
•Hedef molekülün yapısı aktarılan sentetik RNA/DNA mol.leri ile
değiştirilerek İmmidazolin bazlı herbisitlere dayanıklı tr mısır bitkileri
geliştirilmiştir.
2)Hedef Molekülün Fazla Üretimi
Amaç, bitkilerdeki hedef molekülün bazı genetik manipülasyonlarla daha fazla
üretilmesi sonucu, herbisit aktif maddesinin varlığında da hedef molekülün
sorumlu olduğu hücresel fonksiyonları yerine getirebilmesidir.
Bu yöntem kullanılarak:
•Petunya da EPSPS aktivitesi 20 kez arttırılarak glifosata toleranslı bitkiler,
•Darıdan izole edilen EPSPS geni ,buğdaya aktarılarak glifosata dayanıklı
kallus dokusu,
•Brassica napus ta glutamin sentetaz enziminin fazla sentezi ile PPT’ne
dayanıklı bitkiler,
•Tütünde glutamin sentetaz enziminin fazla sentezi ile PPT’ne dayanıklı bitkiler
elde edilmiştir.
3)Etken Maddenin Detoksifikasyonu
Bitkiye herbisitin aktif maddesini detoksifiye eden yeni bir enzimin
sentezlettirilmesidir.
Bu amaçla, detoksifikasyon yapan enzimin sentezinden sorumlu gen
bitkilere aktarılmakta ve bunun sonucunda herbisitin aktif maddesi hedef
molekülü etkileyemeyen bir bileşiğe çevrilmekte ve dolayısıyla hedef
molekül herbisitin varlığında bile normal hücresel işlevini
sürdürebilmektedir.
Bu yöntemle:
•Bitkilere 2-4,D detoksifikasyonunu sağlayan bakteri orjinli monooksigenaz
enzimi sentezlettirilerek bu herbisite dayanıklı tütün ve pamuk bitkileri,
• PPT nin detoksifikasyonu amacıyla bakteri orjinli bar ve pat genleri
bitkilere aktarılarak Bialafos ve/veya glufosinat amonyuma dayanıklı tr
bitkiler geliştirilmiştir.
Glutamin Sentetaz İnhibitörleri YA DA PPT’e Dayanıklı Bitki Üretilme
Mekanizması
Gram pozitif toprak bakterileri olan Streptomyces hygroscopicus ve
Streptomyces viridochromogenes suşları fosfonotrisil-alanil-alanin yapısında
bir tripeptid üretmektedirler. Bialaphos olarak adlandırılan bu bileşiğin hücre
içerisinde peptidaz aktivitesi ile hidrolizi sonucu oluşan fosfinotrisin (PPT)
glutamin amino asidinin bir analoğu olup amino asid biyosentezinde rol alan
Glutamin Sentaz (GS) enziminin rakip inhibitörüdür.
PPT amino asit biyosentezinde önemli rolü olan glutamin sentetaz enzimini
inhibe etmektedir. GS enzimi glutamik asit ile amonyumun tepkimeye girerek
glutamini oluşturduğu tepkimeyi katalizleyen enzimdir.
GS enzimi
Glutamik asit + NH4 + ATP -------------------->
Glutamin +ADP +Pi + H+
PPT’ye Dayanıklı Transgenik Bitkilerin Geliştirilmesi
Bahsedilen avantajları nedeniyle yabancı ot mücadelesinde yaygın
olarak kullanımı sözkonusu olan PPT’nin kontak etkili herbisit
olması yaygın olarak kullanımını etkileyen en önemli faktördür. Bu
nedenle PPT’ye dayanıklılık gösteren kültür bitkilerinin geliştirilmesi
yönünde bir çok çalışma bulunmaktadır.
Bu yönde 2 temel strateji vardır:
1. GS enziminin arttırılması
2. PPT’nin hücre içindeki detoksifikasyonu
ROUNDUP READY
RoundupTM glyphosate olarak bilinen kimyasal ismi Nphosphonomethylglycine olan glisin amino asidinden türemiş bir
organofosfat bileşiğidir.
Çok geniş spektrumludur ve yeşil olan her bitkiyi öldürür.
Monsanto herbisit kullanımını arttırmak için glifosata dirençli ticari bitki
çeşitleri geliştirmek istemiş ve 1980’lerin başlarında EPSPS genini
izole ederek klonlamış ve bitkilere transforme ederek bu enzimin
fazla üretilmesini sağlama metoduyla transgenik çeşitler elde etmiştir.
Petunia hybrida
Petunia
yaprak
disklerinin
transfekte
edilmesi
Yüksek EPSPS
seviyeleri gösteren
bitkilerin seçimi
Ti vektör
içine
ekleme
Kallus dokusunun
alınıp bitki
rejenerasyonu
yapımı
P.Hybrida’dan EPSPS üretimi
cDNA
hazırlanması
Enzimin
saflaştırılması
EPSPS geninden
mRNA izolasyonu
EPSPS in 4080 kez fazla
üretimi
Bu EPSPS enziminin aşırı üretimi transgenik bitkilerin glifosata artan tolerans
göstermelerini sağlamış fakat büyümede gecikmelere neden olduğu için ticari
olarak kullanılamamıştır.
1990’ların ortalarında CP4 EPSPS geni olarak adlandırılan Agrobacterium
CP4 ırkından elde edilen farklı bir EPSPS geni kullanıldı.
Yürütülen bu çalışmalar sonucunda soya DNA sı içerisine sabit olarak entegre
olmuş CP4 EPSPS
ve
EPSPS CTP genlerini bütün
olarak
içeren PV-GMGT04 plasmidinin bir fragmenti bulundu.
Son transgenik türler yabani türlerden 3 kez daha fazla glifosata dirençli
olmuşlardır. Glifosat işlemlerinin kullanımından kaynaklanan verim artışı
Monsanto tarafından % 7 olarak belirtilirken bu transgenik türlerin geleneksel
ıslah yöntemleri ile aynı seviyede eldesinin ise 20 yıl aldığı belirtilmiştir.
Yabani oylarla birlikte
soyalar
Roundur Ready soyalar
Roundup uygulaması
Uygulama sonrası tarla görünümü
Monsanto’nun en popüler 4 Roundup Ready Ürünü:
1) RR soya
2) RR Mısır
3) RR Pamuk
4) RR Canola
TEŞEKKÜRLER