2,4 MB

17.02.2015
MBG-747 BİTKİ BİYOTEKNOLOJİSİ 2
Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ
Bitki Biyoteknolojisi
MBG-645
Güz – 2013
Ders Müfredatı
Hafta
1.
2.
3.&4.
5.
6.
7.
8.&9.
10.
11.
12.
13.
14.
Dersin Konusu
Ek Notlar
Biyoteknolojinin Önemi
Genetik Belirteçler
Öğrenci Sunumu (A1)
Bitki Doku Kültürü
Öğrenci Sunumu (A2,4.hafta)
Bitki Doku Kültürü Uygulamaları
Öğrenci Sunumu (A3)
In vitro Bitki Stresi
Somaklonal Varyasyon
Öğrenci Sunumu (A4)
Sekonder Metabolit Üretimi
Öğrenci Sunumu (A5,9.hafta)
Kitle Çoğaltımda Biyoreaktör Kullanımı Öğrenci Sunumu (A6)
Orta Süreli Germ. Saklanması
Kriyoprezervasyon I
Öğrenci Sunumu (A7)
Kriyoprezervasyon II
Öğrenci Sunumu (A8)
Fitoremeditasyon
Öğrenci Sunumu (A9)
1
17.02.2015
İleri Bitki Biyoteknolojisi
MBG-747
Bahar 2015, PAZARTESİ- 13.00-16.00
Ders Müfredatı
Hafta
1.
2&3
4.
5.
6.
7.&8
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Dersin Konusu
Tarımsal Teknoloji
Transgenik Bitki Eldesi ve Kullanılan Yöntemler (I&2)
Transgenik Bitki Eldesi (III)
Bitkilerde Kuraklık ve Tuzluluk Stresine Karşı Direncin Arttırılması
Bitkilerde Herbisit ve Böceklere Karşı Direncin Arttırılması
Transgenik Bitkilerin Belirlenmesi (I&2)
Kloroplast Mühendisliği
Kloroplast Mühendisliği ile Üretilen Rekombinant Proteinler
Bitkilerde antikor üretimi
Bitkilerde Antisens Teknolojisi
Bitki Savunmasında DNA Mikroarrayleri
Bitkilerde Biyodizel Üretimi
Not Sistemi
Derse Katılım
Sözlü Sunumlar ve Yazılı Rapor
Quizler
Final Sınavı
%10
%15
%15
%60
TOPLAM %100
Tarama Yapılacak Dergiler:
Trends in Biotechnology, Biotechnology Advances, Proceedings of
the National Academy of Sciences, Science, Nature, Nature
Biotechnology, Nature Genetics, Trends in Plant Science, Current
Opinions in Biotechnology, Plant Cell Reports,vb.
2
17.02.2015
TRANSGENİK BİTKİ ELDESİ
-Agrobacterium arayıcılığı ile gen transferi
TRANSGENİK BİTKİ ELDESİ
-Biyolistik arayıcılığı ile gen
transferi
3
17.02.2015
Kuraklık ve Tuzluluk Stresine Karşı
Direncin Arttırılması
Herbisit ve Böceklere Karşı
Direncin Arttırılması
4
17.02.2015
Transgenik Bitkilerin Belirlenmesi
Kloroplast Mühendisliği
5
17.02.2015
Kloroplast Mühendisliği ile
Üretilen Rekombinant Proteinler
BİTKİLERDE ANTİKOR ÜRETİMİ
6
17.02.2015
ANTİSENS TEKNOLOJİSİ
BİTKİ SAVUNMASINDA DNA MİKROARRAYLERİ
7
17.02.2015
BİTKİLERDE BİYODİZEL ÜRETİMİ
Birleşmiş Milletler dünya nüfusunun 2020 yılına kadar %25 artarak,
7.5 milyarı bulacağına işaret etmektedir. Ortalama olarak, dünya
nüfusuna yaklaşık % 97’ si gelişmekte olan ülkelerde olmak üzere
yılda 73 milyon kişi eklenmektedir. Şu anda yaklaşık 1.2 milyon kişi
yoksulluk sınırında ve okul öncesi yaştaki 160 milyon çocuk açlık ile
mücadele etmektedir. Çok sayıda kişi demir, çinko ve vitamin A gibi
mikro elementlerin eksikliğinin yol açtığı bozukluklara sahiptir.
Güvensiz yiyecek ve açlık ciddi boyutta halk sağlığı sorunları ortaya
çıkarmakta ve can kaybına yol açmaktadır. Ürün üretimi için uygun
ekilebilir alan miktarı da şehirleşme ve toprak degradasyonu
nedenleriyle gün geçtikçe azalmakta ve bu eğilimin gelişmiş ülkelere
nazaran gelişmekte olan ülkelerde daha da dramatik bir hal alması
beklenmektedir. 1990 yılında sadece Mısır, Kenya, Bangladeş,
Vietnam ve Çin’de kişi başına 0.25 hektardan daha az ekilebilir alan
bulunurken, 2025 yılında bu ülkeler arasına Peru, Tanzanya,
Pakistan, Endonezya ve Filipinler’ in de eklenmesi beklenmektedir.
Ekilebilir alan miktarındaki bu azalmalar ve nüfusta görülen bu artış
önümüzdeki 20-30 yılda yiyecek güvenliğini önemli oranda
etkileyecektir.
8
17.02.2015
1950 ve 1980 yılları arasında toplam tahıl üretiminde gözle
görülür bir artış gözlenirken, 1980-1990 yılları arasında çok
az artış sağlanmıştır. Önceki artış daha çok ekim alanında
artış, sulama, daha iyi tarımsal uygulamalar ve çeşit gelişimi
nedeniyleydi. Gelişmiş ülkelerde çeşitli ürünlerin verimi en
üst seviyelere ulaştığından, gelecekteki üretim artışı
gelişmekte olan ülkelerde doğal kaynakların daha iyi
yönetimi ve ürün gelişimi ile sağlanır. Uzun süreli ekonomik
büyüme için üretimin artması gerekmektedir ve bu kısa
sürede artan dünya nüfusu için gereken yiyecek temini için
önemlidir. Bu anlamda biyoteknoloji, yakın gelecekte gıda
üretiminde önemli bir rol oynayacaktır.
Genetik mühendisliği bitki yetiştiricilerine yerel çeşitlere yüksek verimle
aktarılabilen çok sayıda yeni gen ve özelliklere erişimi sağlamaktadır.
Bu yaklaşım tarımsal geçmişe sahip seçkin çeşitlere önemli gen ve
özelliklerin hızlı aktarımına olanak sağlar.
Biyoteknolojinin ürün üretimine gelecekte olacak etkileri başlıca şu
alanlarda olacaktır:
•genetik erkek kısırlığına dayalı yeni hibrit bitkilerin geliştirilmesi,
•melez bitkilerde verimin arttırılması için transgenik teknolojisinin
kullanımı,
•böcek, pestisit, hastalık ve abiyotik stres etkenlerine karşı direncin
arttırılması,
•biyokontrol ajanlarına karşı etkinliğin arttırılması,
•ürünlerin besin değerlerinin (A vitamini ve demir) ve hasat sonrası
kalitelerinin arttırılması,
•topraktan fosfor alınımı ve azot fiksasyon etkinliğinin arttırılması,
•tuzluluk ve aluminyum toksisitesine karşı adaptasyonun arttırılması,
•gen aksiyonlarının doğasının ve metabolik yolakların anlaşılması,
•fotosentetik aktivitenin, şeker ve nişasta üretiminin arttırılması,
•farmasötik ve aşı üretiminin sağlanması.
9
17.02.2015
Böcek, pestisit ve hastalıklara dirençli yeni çeşitlerin gelişimi biyokontrol ajanları
ile beraber kullanıldığında hem pestisitlerin kullanımı azaltarak hem de çiftçilerin
mahsul korumak için harcadıkları maliyeti düşürerek çevre ve insan sağlığına
yararlı olacaktır. Benzer olarak, yabani otların kontrolünde herbisit dirençliliği için
geliştirilen genetik modifikasyon çiftçilerin gelirini arttırırken, yabani otlardan
kurtulmak ve herbisit uygulaması için gereken iş gücünü azaltacaktır. Ürün
veriminin arttırılması ile tarımsal biyoteknoloji üretim için yeni alanlara olan
gereksinimi azaltabilir ve böylelikle ürün üretimi için yetersiz olan alanlardaki
biyoçeşitliliğin korunmasını sağlar. Bu teknolojinin potansiyeli ılıman ve yarı tropik
iklimlerde yetişen model bitki türlerinde denenmiştir. Biyoteknolojinin vaat ettiği
gelişmeler, biyotik ve abiyotik stres etkenlerine karşı direncin ve besleyici özelliğin
arttırılması yoluyla ürün veriminin iyileştirilmesi genomik ve transgenik
araştırmalar sonucunda ortaya çıkan bilgi ve ürünün kullanımı ile gerçekleşebilir.
2. Genomiks devrimi
Son 20 yıl insan, maya, Caenorhabditis elegans, Arabidopsis
thaliana ve pirincin genom dizisinin belirlenmesi ile geçti.
Sistematik olarak gen dizilerinin çıkartılması, ürün üretimi ve
yüksek verim eldesine katkıda bulunan özelliklerin manipule
edilmesi konusundaki fikirlerimizi değiştirecek gen ve genom
organizasyonu ve işleyici hakkında önemli bilgiler edinmemizi
sağlayabilir. Benzer olarak, mikroarray teknolojisinde elde
edilen gelişmeler, genin işleyişini ortaya çıkartacak çok
sayıda genin analizi ve simultan ekspresyonuna ve değişen
çevre koşulları altında farklı fenotiplerin oluşması ile
sonuçlanan genler arasındaki karmaşık çoklu etkileşimlerin
anlaşılmasını sağlayabilir. Model sistemlerden elde edilen bu
bilgiler bitki biyolojisini anlamamızı ve böylelikle ürün gelişimi
için genomik bilgiyi kullanma yeteneğimizi arttırabilir.
10
17.02.2015
Bu alanlardaki gelişmeler, daha az çalışılan bitki türlerinde yer
alan ve tarımsal özellikleri oluşturan kantitatif özellik loci (QTL)
haritalarının çıkartılmasına yardım eder. Ürün gelişimi için QTL
belirteçlerinin kullanımı, birbiri ile yakından ilgili yabani türlerin
önemli özelliklerinin etkin ve hızlı kullanımını sağlayabilir.
Geleneksel yetiştiricilik yoluyla tür içinde bir özelliğin yerel
çeşitlere aktarımı, 5-6 generasyon sürmekte ve uygun özelliğe
sahip bitkilerin seçimi için çok sayıda projeninin ekilmesi
gerekmektedir.
Daha sonra gelişen hatların çiftçiler tarafından ekimi için belirlenmesinden
önce, çok sayıda farklı yerleşim alanında denenmelidir. Bu işlem minimum
7 ila 10 sene sürmektedir. Bununla beraber, genetik transformasyon gen
ekspresyon seviyesi ve yeteneği değiştirilmiş transgenik bitkilerin
üretiminde kullanılabilecek farklı türlerden gen alınımını sağlar. İlgilenilen
genin transferi, hedef tür veya çeşide tek bir şekilde aktarılabilir ve kararlı
gen ekspresyonuna sahip çeşit gelişimi için 5-6 sene yeterlidir. Bu şekilde
üretilen hatlar çiftçilere ekim için verilebilir veya geleneksel bitki
yetiştiriciliğinde ve/veya markıra dayalı seleksiyon çalışmalarında verici
bitki olarak kullanılabilir.
11
17.02.2015
Markıra dayalı seleksiyon çalışmalarında, seçkin hat ilgilenilen özelliği taşıyan
diğer hat ile çaprazlanır. Oluşan F1 hibriti tekrar ebeveyn hat ile (kesinlikle seçkin
ebeveyn, BC1) çaprazlanır ve gen transferi markıra dayalı seleksiyon ile BC3-5’e
kadar (ya da kantitatif özellik locisi veya ilgilenilen gen seçkin hatta geçene
kadar) izlenir. Yabani çeşitlerin kültüre alınan çeşitler ile zor çaprazlandıkları
durumda F1 hibriti embriyo kurtarma ve doku kültürü yoluyla üretilebilir ve projeni
geleneksel geri çaprazlama yaklaşımında (fenotipik seleksiyon) olduğu gibi veya
kültüre alınan çeşitin tekrar ebeveyn olarak kullanıldığı markıra dayalı seleksiyon
yoluyla geliştirilir. F2’ den F6-8’e kadar olan projeniler geleneksel pedigree
yetiştiriciliğinde olduğu gibi geliştirilebilir ve uygun özellik kombinasyonuna sahip
bitkiler geliştirilmiş çeşitler veya verici ebeveyn olarak geleneksel yetiştiricilikte
kullanılabilir. F6-F8 projenileri eğer F2’lerden rastgele 250-300 bitki seçilmiş ve
bitkiler her generasyonda ve her hatta rastgele kendine döllenme ile
geliştirilmişse ilgilenilen özelliğin haritasının çıkartılması için rastgele melez hattı
olarak da kullanılabilir. BC5’den elde edilen bitkiler, ilgilenilen özelliğin rolü veya
kalıtımının çalışılması için izogenik hat olarak kullanılabilir.
Markıra dayalı seleksiyon 3-6 yıl gerektirmekte ve böylece
geliştirilen
çeşide
istenilen
özelliğin
aktarım
hızını
hızlandırmakta ve sadece istenilen özelliği gösteren bitkiler
olgunlaşana kadar korunması gerektiğinden projenilerin ürün
toplanana
kadar
geniş
ölçekli
ekimine
gereksinim
kalmamaktadır. Çok sayıda hibridizasyon (BCFn) ilgilenilen
özelliğin elit hata başarılı aktarımını sağlamakta ancak
potansiyel ürün verimini ve üretim kalitesini etkileyecek diğer
yabani özelliklerin aktarılmama başarısına göre 7-10 sene hatta
daha uzun sürmektedir.
12
17.02.2015
2.1. DNA markır yardımı ile seleksiyon
Rekombinant DNA teknolojileri gen dizi ve işlevi hakkında bilgi
sağlamasının yanı sıra ekonomik olarak ilgili özelliklere iştirak
eden genleri taşıyan özgün kromozomal bölgelerin
belirlenmesine izin verir. Genetik belirteçleri kullanarak
doğrudan olmayan seleksiyonun teorik avantajları, ilk defa
yaklaşık 80 yıl önce Sax tarafından rapor edilmiştir. Bununla
birlikte, DNA markır teknolojisinin gelişimine kadar modern bitki
yetiştiriciliği programlarının gereksinimlerini karşılayacak kadar
yeterli sayıda genetik belirteç bulunmamaktaydı. Günümüzde
belli uygulamalarda kullanım için farklı avantajlara sahip çok
sayıda DNA belirteçleri bulunmaktadır.
13
17.02.2015
İlgilenilen özellik için DNA markırlarının belirlenmesi genellikle ilgilenilen
özelliğin kalıtsal farklılıklarına sahip iki genotip arasında yapılan
çaprazlamalar dayanmaktadır. Ürüne ve içerdiği özelliklere bağlı olarak,
haritalanacak populasyon, bu çaprazlamanın projenisinin kendine bir kez
veya çok kez (rekombinant kendine döllenmiş hatlar, RIL) döllenmesiyle
oluşan bireylerden veya ebeveynlerden biri ile geri çaprazlanması ile
oluşan (BC) veya duble haploidlerin (DH) oluşumu için doku kültürüne
aktarılan bitkilerden türevlenir. RIL ve DH populasyonlarının önemli bir
avantajı her hattın homozigot olması ve bu nedenle kendine döllenme
yoluyla sonsuza kadar çoğaltılabilmesidir. Bu pek çok çevre ve mevsim
koşulları altında, populasyonun değerlendirilmesine ve daha doğru
fenotipik varyasyonun tahminine olanak tanır. RIL ve DH populasyonları,
aynı zamanda farklı disiplinlerden pek çok bilim insanının aynı
populasyonda aynı özelliğin farklı yönlerini çalışmalarını da sağlar.
İlgilenilen özelliğe katkıda bulunan genomik bölgeler bir kez
tayin edildiğinde ve her lokustaki alleller tasarlandığında bunlar
yüksek verime sahip yerel çeşitlere gereken çaprazlamalar
yapılarak aktarılabilir. İstenen allel kombinasyonuna sahip döl
daha sonra markıra dayalı seleksiyon kullanılarak daha ileri
değerlendirmeler için seçilir. Ticari ürünlerin yabani akrabaları
ürün performansını, biyotik ve abiyotik stres etkenlerine direnci
geliştirmek için gerekli önemli alleleri içermekte ve bu alleller
markıra dayalı seleksiyon yoluyla ürün yetiştirme programına
etkin olarak dahil edilebilir. DNA markır teknolojisi, ticari bitki
yetiştiriciliği programlarında 1990’ lardan beri kullanılmakta ve
tarımsal olarak istenilen çeşit ve hibritlere bu özelliklerin hızlı ve
etkin transferi için yararlı oldukları ispat edilmiştir. Çok sayıda
tür için genetik haritaların gelişimi, aynı zamanda ürün evriminin
ve gen işleyişinin de daha iyi anlaşılmasına yol açacaktır.
14
17.02.2015
2.2. Gen dizilimi ve işleyişi
Genler çeşitli yaklaşımlar kullanılarak keşfedilebilir ancak rutin
olarak kullanılan yöntem eksprese edilen gen kütüphanelerini
oluşturmak ve bunların dizilerini çıkartmaktır. Bu kütüphane tipik
olarak, büyüme evresinde örnek alınan bitkinin belirli çevresel
koşullar altında yoğun olarak eksprese edilen binlerce cDNA
dizilerini içermektedir. Bu cDNA’ ların dizileri çıkartıldığında bunlara
eksprese edilen dizi işaretleri (EST) denir. A. thaliana, Medicago
sativa, çeltik, mısır, sorgum ve soya fasulyesi gibi çeşitli model
türler için genel veribankalarında çok sayıda bu markıra ait diziler
bulunmaktadır. Farklı bitkilerde elde edilen bu markır verilerinin
karşılaştırılması, birbiri ile yakından alakalı veya uzak türler
arasındaki kodlama dizi çeşitliliğini ortaya çıkartabilir.
Farklı bir türde işlevi bilinen bir gen ile EST arasında yüksek seviyede bir dizi
benzerliği bulunursa, ilgilenilen türdeki olası gen işleyişini anlamak
mümkündür. Bununla birlikte, genin işlevinin anlaşılması yine de deneysel
doğrulama gerektirir. Belirli bir çevre koşulları altında veya büyüme evresinde
sadece küçük bir gen kısmı yoğun olarak eksprese edilir ve bu nedenle
resmin tamamı ancak farklı çevre koşulları altında büyütülen ve farklı
büyüme evrelerinde örnekler alınan bitkilerinden cDNA kütüphaneleri
oluşturularak veya tüm cDNA genom kütüphanesinin dizisi çıkartılarak elde
edilebilir.
15
17.02.2015
Organizmanın tamamının gen işleyişinin anlaşılması için
işlevsel genomiks teknolojisi günümüzde insersiyon mutant
izolasyonu, gen çipleri veya mikroarrayleri ve proteomiks
gibi yüksek iş çıkarma yöntemlerine odaklanmıştır. Sonuç
olarak, belirlenen genler transgenik bitkilerde eksprese
edilir.
2.3. Metabolik yolakların analizi:
Farklı uygulamalar ile uyarılan özgün bir bitki işlevindeki
değişikliklerin bilinmesi, metabolik yolaklarda veya ilgili fizyolojilerde
bulunan genlerin izolasyonu için yöntemlerin geliştirilmesini
sağlamıştır. İşaretli mutant populasyonların varlığı ile metabolizma
bilgisine dayanan seçkin görüntüleme sistemlerinin kullanımı ana
basamaklarda görev alan genlerin izolasyonu için görece kolay
yaklaşımlar sağlar. Flavonoidler gibi çoğu ikincil metabolitler konakçı
bitkinin biyotik stres etkenlerine direncini de içeren bitki fizyolojisinin
çeşitli işlevlerini kapsamaktadır. Flavonoid biyosentetik yolağın çoğu
bileşenleri (flavanonlar, flavonlar, flavanollar ve izoflavonoidler)
biyotik ve abiyotik strese cevap olarak yığılırlar.
16
17.02.2015
Genetik mühendisliği konakçı bitkinin böcek ve hastalıklara
olan direncinde önemli bir rol oynayan çeşitli flavonoidlerin
miktarının
arttırılması
için
metabolik
yolakların
değiştirilmesinde
kullanılabilir.
Transgenik
bitkilerde
fitoaleksinlerin
ekspresyonu
biyosentezlerinin
içerdiği
karmaşıklar nedeniyle zor olabilir. Fitoaleksin biyosentezini de
içeren savunma genlerinin aktivasyonu altında yatan moleküler
mekanizmalar pek çok bitki türü için oldukça benzerdir.
Biyoteknoloji ilaç olarak veya aromatik endüstrisinde kullanılan
ikincil metabolitlerin üretiminin arttırılması için büyük umutlar
vaad etmektedir.
3. Genetik transformasyon:
Genetik mühendisliği daha önce bitki yetiştiricilerinin
ulaşması mümkün olmayan yararlı gen havuzlarına
doğrudan ulaşma olanağı sağlar. Günümüzde kullanılan
genetik mühendislik teknikleri tek bir aktarımla istenen
çeşitli genlerin simultan kullanımına olanak tanıyarak,
seçkin çeşitlere yeni gen veya özelliklerin aktarımını sağlar.
Transgenik araştırmalara uygulanan öncelikler, geleneksel
bitki yetiştiriciliğine benzerdir ve üretimi arttıracak
özelliklerin değiştirilmesi, eklenmesi veya çıkartılmasını
amaçlar.
17
17.02.2015
Pek çok türde hızlı ve etkili transformasyon sistemlerinin geliştirilmesi çalışmaları
sürmektedir. Etkin bir şekilde transgenik bitkilerin geliştirilmesi bitki
yetiştiriciliğinde biyoteknoloji kullanımını arttıracaktır. Son 10 yılda genetik
transformasyon ve gen ekspresyonunda elde edilen gelişmelerin sonucunda
herbisit ve pestlere direnç anlamında ilerlemeler kaydedilmiştir.
Bu teknolojinin potansiyeli ılıman bitki türlerinin yetiştirilmesinde özellikle şu
alanlarda kullanılmaktadır:
3.1.Böceklere, hastalıklara ve herbisitlere dirençlilik:
Bt genlerini içeren ilk transgenik bitkiler, 1987 yılında üretilmiştir. Her ne kadar,
böceklere dirençli transgenik bitkiler çoğunlukla Bt d-endotoksin genleri
kullanılarak geliştirilse de, çoğu çalışma böceğin beslenme gereksinimlerine
yönelik, Bt genlerini içermeyen yöntemler geliştirilmesini içermektedir. Bu
genler proteaz inhibitörleri, kitinazlar, ikincil bitki metabolitlerini ve lektinleri
içermektedir. Böceklere dirençliliğin sağlanması ile ilgili genler mısır, pamuk,
patates, tütün, çeltik, brokoli, ceviz, elma ve soya fasulyesi gibi çeşitli bitkilere
aktarılmıştır. Bir çok transgenik bitki tarla denemeleri veya çiftliklerde
üretilmeye başlanmıştır.
18
17.02.2015
Böceklere dirençli transgenik ilk bitki ABD’ de 1994 yılında
yetiştirilmeye başlanmış ve geniş ölçekli üretime 1996 yılında
başlanmıştır. O günden sonra ABD, Kanada, Avustralya,
Arjantin ve Çin’ de transgenik bitki yetiştirme alanlarında hızlı
artışlar görülmüştür. Dünyada 12’ den fazla ülkede transgenik
bitkiler yetiştirilmektedir. Pamuk kurdu transgenik pamuk
geliştirilmesi ile başarılı bir şekilde kontrol altına alınmıştır.
Bt’den elde edilen cry tipindeki toksinler pamuk kurdu, mısır
kurdu ve Avrupa mısır kurduna karşı etkilidir. Lepidopterlere
karşı Bt genlerinin başarılı ekspresyonu domates, patates,
yerfıstığı ve nohutta sağlanmıştır.
Yarı-Kurak Tropikler için Uluslararası ürün Araştırma
Enstitüsünde (ICRISAT) bir çok aday gen, tropiklerde ki en
önemli ürün pestleri olan Atherigona soccata, Chilo
partellus, Spodoptera litura, Helicoverpa armigera’ ya karşı
biyolojik etkinlikleri değerlendirilmektedir. Çabalar bu
böceklere karşı direncin sağlanması için Bt, tripsin
inhibitörü ve lektin genlerinin sorgum ve nohuta aktarımı
konusunda devam etmektedir. Bt ve tripsin inhibitör
genlerini içeren transgenik sorgum bitkileri kontrollü sera
koşullarında denenmektedir. Çalışmalar aynı zamanda
virüs ve fungal patojenlere karşı dirence sahip yerfıstığı
bitkilerinin geliştirilmesi içinde sürdürülmektedir.
19
17.02.2015
Transgenik bitkilerin yetiştirilmesi çevre korunması
konusunda önemli yararlar sağlayacaktır. Böceklere
dirençli bitkilerin ekilmesi ile ABD’ de 1999 yılında bir
önceki seneye göre pestisit kullanımında 1 milyon kg
azalma sağlanmıştır. Ringspot virüsüne karşı direnci
sağlayan transgenik papaya Hawaii’ de 1996’ dan beri
yetiştirilmektedir. Geleneksel yaklaşımlar kullanılarak
kontrolü zor olan çeltik sarı benek virüsü, transgenik çeltik
üretimi yoluyla kontrol edilmekte ve ürünün tamamının
kaybedilme riskini ortadan kaldırmaktadır. Toplamda
herbisitlere dirençli soya fasulyesi, böceklere dirençli
mısır ve genetik olarak iyileştirilmiş pamuk transgenik
ürün ekili alanların yaklaşık %85’ ini kapsamaktadır.
Böceklere direnç genlerini içeren transgenik bitkiler, hem gelişen hem de
gelişmekte olan ülkelerde pest ile başa çıkmakta önem kazanacaktır. Bu
tip çabalar böcek ile ilgili kayıpları azaltmakta, ürün üretiminin
arttırılmasında ve fakir bölgelerde yaşam kalitesinin arttırılmasında önemli
rol oynayacaktır. böceklerin kontrolü için böceklere dirençli transgenik
bitkilerin geliştirilmesi;
•böcek spreylerinin kullanımının azaltılması,
•doğal düşmanlara karşı aktivitenin arttırılmasına yol açacaktır.
20
17.02.2015
3.2. Abiyotik streslere karşı direnç:
Abiyotik streslere dayanabilen ürünlerin gelişimi, gelişmekte olan ülkelerde ürün
üretimini sabitler ve yiyecek güvenliğinin sağlanmasına katkıda bulunur.
Bakterilerde trehaloz, trehaloz fosfat ve trehaloz fosfatı trehaloza parçalayan
trehaloz fosfat fosfatazı üreten trehaloz fosfat sentetaz ile üretilir. Bu iki enzim
yani trehaloz fosfat sentetaz ve trehaloz fosfat fosfataz, transgenik bitkilerde
eksprese edildiklerinde bitkiler daha geniş yapraklara sahip olur, gövde gelişimi
değişir ve stres koşullarına karşı daha iyi cevap oluşturur.
Çeşitli glutamat dehidrogenazların aşırı ekspresyonun da bitki büyümesini ve
strese toleransı arttırdığı rapor edilmiştir. Yapılan bir çalışmada bitkiler,
Chlorellasorokiniana alginin kloroplastında bulunan GDH’ nin α ve β alt
ünitelerini kodlayan genler ile transforme edilmiştir. Benzer gelişme, geç
embriyogenez (LEA) genleri ile transforme edilen çeltik bitkisinde de
görülmüştür. Köklerinde daha fazla sitrik asit üretme yeteneğinde olan
bitkiler, asitli topraklarda bulunan aluminyuma karşı daha dirençli olurlar.
Avicennia marina’ dan izole edilen tuzluluğa direnç geni klonlanarak, diğer
bitkilere aktarılabilir. Yine E. coli’ den gutD geni tuzluluğa direncin sağlanması
için kullanılabilir. Bu gen tarıma elverişli olmayan alanlarda mahsül üretimini
arttırmak için önemli bir potansiyele sahiptir.
21
17.02.2015
3.3. Şeker ve nişasta metabolizması:
Sukroz fosfat sentetaz, sukroz metabolizmasını düzenleyen anahtar
enzimdir. Mısır SPS’ ni tütünden alınan promotor kontrolünde eksprese
eden transgenik bitkiler üretilmiştir. Trikarboksilik asit siklusunda bulunan
metabolitlerin NAD-malik enzim miktarını azaltma yoluyla sağlanan aktivite
değişiklikleri de nişasta derişimini arttırmada kullanılabilinir.
E. coli’ nin inorganik prifosfatazının bitkilere aktarımı, şeker miktarını
değiştirme ve bitkinin şeker varlığını algılama kapasitesini ve sukroz
bağlanma proteinlerini etkileyen heksokinazların modifikasyonu ile gelişen
legüm tohumlarında şeker yüklemesini etkilemiştir. Bu tip bir etki özel
gereksinimleri karşılamak için gıdaların kimyasal bileşimini değiştirme
olanağını sunmaktadır.
3.4. Senesensin değiştirilmesi:
Yaprak senesensi sitokinin üretiminin azalmasına bağlı olarak ortaya çıkan
yaşlanma nedeniyle yaprak veya bitkinin ölümüne yol açar. Sitokinin senesensi
doğal olarak engelleyen ve yapraklarda fotosentez aktivitesini koruyan bir bitki
hormonudur. Yaprak senesensindeki azalma bitkinin performansını arttırır ve
böylece ürün verimini arttırır. Bu kısmen mısır, sorgum ve diğer tahıl ürünlerinde ki
yeşil kalma özelliği ile sağlanabilir. Sorgumdaki yeşil kalma özelliği kuraklık stresine
adaptasyon ile de ilgilidir. Famesil transferaz ve izopentil transferaz genlerinin
aktarımı senesensi geciktirir. Yaprak senesens işlemi sitokinin sentez enzimi olan
izopentil transferazı kodlayan gen yoluyla bloke edilebilir. Geciktirilmiş senesensin
ticari yararları, bitkinin vegetatif büyümesinin, tohum ve meyva üretiminin
arttırılması, sebzelerin raf ömrünün uzatılması, kaba yonca gibi yem legümlerinin
nitrogen içeriğinin korunması, güvenli ve doğal sitokinin kaynağı sağlamasını sağlar.
Senesens sırasında eksprese edilen diğer genler ile birleştirilmiş bir promotor daha
da yararlı olabilir.
22
17.02.2015
3.5. Fotosentetik etkinlik ve arttırılmış verim:
Ürün verimini radikal olarak arttıracak deneysel bir yaklaşım C4 tip
fotosentezin Arabidopsis ve patates gibi C3 bitkilerine aktarımı yoluyla
bitki biyokimyasının bileşenlerini değiştirmektir.
C3 fotosentezi ribulaz 1,5-bifosfat karboksilaz/oksigenazın (rubisco)
oksigenaz reaksiyonu sırasındaki O2 inhibisyonundan ve bunu takiben
fotorespirasyonda CO2 kaybından sorunludur. Bunun tersine, mısır gibi
C4 bitkileri bu inhibisyonu aşacak biyokimyasal mekanizmalar
geliştirmiştir. Bu mekanizmanın ana özelliği mezofil hücrelerinin
sitosollerinde atmosferik CO2’ i fiske eden enzim olan fosfoenolpruvat
karboksilazın (PEPC) aktivitesidir.
Agrobakterium’a dayalı bir transformasyon sistemi kullanılarak, mısır
PEPC’ si C3 bitkilerine transfer edilmiştir. Fizyolojik olarak, fotosentezde
bu bitkiler daha az O2 inhibisyonu ve transforme edilmeyen kontrol bitkileri
ile karşılaştırılabilir fotosentez hızı göstermişlerdir. C4 bitkisi olan
dikotiledon Flaveria bidentis’ te fotosentezin ana enzimleri olan rubisco,
pruvat fosfat kinaz (PPDK) ve NADP malat dehidrogenazın (NADPMDH)
düzenlenmesine yönelik araştırmalar rapor edilmiştir. Fotorespirasyonun
azaltılması için kullanılabilinecek bir başka strateji tütünde katalaz
miktarının düzenlenmesidir. Fotosentetik aktiviteyi kapsayan enzimlerin
uygun manipulasyonları, C3 bitkilerinin üretim potansiyellerini arttırabilir.
23
17.02.2015
Arabidopsis’ te bitki uzunluğunu belirleyen genler yeşil devrim
sırasında geleneksel bitki yetiştiriciliğinde tahıllarda kullanılan
cücelik genlerine benzerlik göstermektedir. Bu genler (NORIN 10)
batı buğday çeşitlerine 1950’ li yıllarda bulunmuş ve günümüzde bu
genler izole edilmiş ve genetik transformasyon yoluyla benzer
fenotipler diğer ürünlerde oluşturulmuştur. Cüceliği sağlayan bu
genler ürün arttırılması için çeşitli bitki türlerinde rutin olarak
kullanılmaktadır.
Verim artışı geri dönüşümlü olarak triozfosfatı fruktoz1,6-bifosfata dönüşümünü katalizleyen enzim olan
fruktoz 1,6-bifosfat aldolazın (FDA) manipulasyonu ile
de sağlanabilir. E. coli’ nin FDA’ sını kloroplastta
eksprese eden transgenik bitkilerin yaprakları belirgin
olarak arttırılmış nişasta depolaması, daha az sukroz
derişimi ve daha fazla kök ağırlığı göstermiştir. Bitki
performansını değiştirecek daha jenerik bir yöntem ise
plastid sayısının değiştirilmesi olabilir. Klorofil a/b’ ye
bağlanan genlerin manipulasyonu ise
klorofil
miktarının değiştirilmesinde kullanılabilinir.
24
17.02.2015
3.6. Besleyici etkenler:
Çeşitli kalite özellikleri üretilecek mahsulün besleyici
özelliklerini
arttırmak
için
kullanılabilir.
Bunlar
karbohidratlar, proteinler, yağlar, vitaminler, demir ve
aminoasitleri içermektedir. Hedef özelliklerin seçimi
tüketici, üretici ve tarıma dayalı endüstrilerden
etkilenmektedir. Bu alandaki araştırmalar herbisit ve
böceklere tolerans gibi tek gen ile değiştirilmiş tohum
kalitesi gibi tüketici doğrudan etkileyecek daha karmaşık
özellikleri de içermektedir. Örneğin; vitamin A eksikliğinin
giderilmesi için beta karoten üretim kapasitesine sahip
transgenik pirincin geliştirilmesi. Benzer olarak, insan
diyetindeki demir alınımını kolaylaştıran demir bağlayan
proteinin üretimini kapsayan genler kullanılarak, demir
seviyesi arttırılmış transgenik çeltik üretilmiştir. Yine
değiştirilmiş protein seviyeleri, yağ asidi içeriği, vitamin
ve aminoasit içeriği yiyeceklerin besin değerinin
arttırılmasında kullanılabilinir.
Günümüzde geleneksel hidrojenerasyon kullanımı olmadan
işlenmeyi sağlayacak mono doymamış yağ asit içeriği (örneğin
oleik asit) arttırılırken, linoleik asit gibi polidoymamış yağ asit
içeriği azaltılmakta ve böylece istenmeyen trans-yağ asitlerinden
kaçınılmaktadır. Lizin, metionin, treonin ve triptofan gibi esas
aminoasitlerin miktarı tahılların besleyici özelliklerini arttırmada
kullanılabilir. Nişastanın amiloz amilopektin oranının değiştirilmesi
için yine transgenik modifikasyonlar kullanılmaktadır. Rafinoz ve
stakiyoz gibi oligosakkaritlerin miktarının azaltılması, sindirimi
kolaylaştırır ve sindirim sırasındaki şişkinliği azaltır. Transgenik
teknoloji besleyici olmayan etkenlerin uzaklaştırılmasında da
kullanılabilinir.
25
17.02.2015
3.7. Farmasötikler ve aşılar:
Çeşitli aşılar bitkilerde üretilebilir. Enfeksiyonel mide-barsak
hastalıklarına karşı aşı, patates ve muzda üretilmiştir.
Biyoteknoloji, insan patojenlerinden türevlenen bir geni içeren
bitkilerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Yabancı DNA
tarafından kodlanan bir antijen ürün bitki dokularında yığılır.
Transgenik bitki tarafından üretilen antijen protein fareye
enjekte
edildiğinde
antikor
oluşumunu
sağlayacak
immunogenik özelliklerini saflaştırdıktan sonra da korur.
Transgenik bitkiyi yiyen bir fare immün cevap oluşturur. Bu tip
bir immün cevap, kolera toksin B için gösterilmiştir. Çeltik ve
buğday’ da eksprese edilen anti-kanser antikorları bu
hastalığın teşhis ve tedavisinde yararlı olabilir. Yine transgenik
teknoloji kullanılarak, bitkilerden türevlenen ilaçların (salisilik
asit gibi) veriminin arttırılması sağlanabilir.
3.8.Erkek kısırlık (MS) ve apomiksisin (aseksüel üremenin) kullanılması:
Çeşitli bitki türlerinde genetik veya sitoplazmik erkek kısırlığı (GMS veya
CMS) canlı polen üretiminin baskılanmasına yol açar. Erkek kısırlığı çok
çeşitli yüksek bitkilerde gözlenmiş ve çok düşük seviyelerde veya
tamamen polen üretiminin yokluğu ile karakterize edilmektedir. MS
fenotipi özellikle polen üreten organları, bu tip dokuların fazla enerji
gereksinimi nedeniyle etkilemektedir. Bu özelliğin en iyi bilinen örneği
mısırda görülen sitoplazmik erkek kısırlığıdır. CMS’ nin genel özelliği zar
tabakasındaki mitokondrinin işlev bozukluğudur. Kimerik bir protein
tarafından üretilen mitokondriyel işlev bozukluğu organel işlevi ile
etkileşim gösterir ve polen üretimini etkiler. Biyoteknolojik yaklaşımlar, tür
içinde veya bir türden diğer türe CMS’ nin transferi için kullanılabilir.
26
17.02.2015
Aseksüel embriyoların gelişimi sonucunda oluşan
apomiksis çok sayıda dişi ebeveyn ile genetik olarak
aynı olan nuseller yavrular üretir. Apomiksise zorlama
tohum çoğaltımı yoluyla bitkilerin klonlanmasına yol açar
ve gen manipulasyonu yoluyla bitki yetiştiriciliğinde etkin
bir potansiyel oluşturur. Anaçların tohum ile
çoğaltılmasında düzenliliği ve F1 hibridlerinin gerçek
yetiştiriciliğini sağlar.
Apomiksisin genetik manipulasyonu kararlı ve üstün hibridlerin
üretilme potansiyeline sahiptir. Portakalda bazı apomiktik çeşitler
üretilmiştir.
Apomiksisin genetik mühendisliği, yüksek üretkenlikte ve daha iyi
kalitede ürün üretilmesi için gerekli olan genetik çeşitliliğin
sağlanmasında kullanılabilir. Bu sistem portakal, sorgum, mısır
ve diğer bazı bitki türlerinde çalışılmaktadır. Bununla beraber,
genetik uniformite teknolojinin düzgün kullanılmaması nedeniyle
tehlikeli de olabilir ve bu nedenle tek tek ele alınmalıdır.
27