Süper Sorguma Bir Gen Daha Yakın

Giriş

Bilim insanları, önemli gıda mahsullerinde tıpkı bir süper kahraman gibi en az zarar görecek şekilde güç ve hız özelliklerini keskinleştirerek hassas mahsullerin korunmasına yardım ediyorlar.

Sorgum bitkilerinin süpermenini bulma arayışında nihai noktaya gelen bilim insanları, hastalıklı otlarda bulunan koyu renkli lezyonlara neden olan bir grup Mantar Hastalıkları (Antraknoz)’na, pas ve hedef lekeye karşı geniş koruma sağlayan bir gen tespit ettiler.

Bitkilerin genomik yapısına daha yakından baktıklarında, ayrıca bu süper güç için neyin kriptonit gibi olduğunu ve hastalık direncinde beklenmedik rol oynayan hareketli DNA parçalarını keşfettiler.

Purdue Botanik ve Bitki Patolojisi Bölümü’nün geçici başkanı ve Profesör Tesfaye Mengiste’nin söylediğine göre, yeni keşfedilen Antraknoz Direnç Geni 1 veya ARG1 olarak adlandırılan gen, birkaç açıdan olağandışı bulunmuştur. Mengiste; “Sorgumun, bazı Mantar Hastalıkları’na karşı doğal direncinin olduğu bilinmesine rağmen bu kadar yaygın bir şekilde direnç gösteren genlere rastlanmamıştır.” demektedir.

2009 Dünya Gıda Ödülü sahibi Gebisa Ejeta da dahil olmak üzere Purdue Üniversitesi araştırmacılarından oluşan ekip, ABD Uluslararası Kalkınma Ajansı’nın (USAID) desteklediği Sorgum ve Darı iş birliğine dayalı araştırmalar için kullanılan Gıda ve Gelecek İnovasyon Laboratuvarı’nda proje üzerinde keşifler yaptı.

Araştırmayı yöneten Mengiste, iklim değişikliğiyle bitki hastalıklarının sayısının ve çeşitliğinin anlamlı ölçüde artışa uğrayacağının tahmin edildiğini söyledi. Mengiste; “ Dünya gıda mahsulü tedariğinin sürdürebilmesi için, daha sağlam hastalık kontrolüne ihtiyacımız var ve bu olağanüstü bitkiler bizden hep bir adım önde.” diyerek konuşmakta ve ardından da  “Sorgum bitkisinin farklı varyasyonları, farklı güçlere ve hastalık direncine karşı evrim geçirmiştir. Genetik ve Bitki Bilimi aracılığıyla değişen çevre koşullarına adaptasyon sürecinde, onlara yardım etmeye çalışıyoruz.” diyerek eklemektedir.

İstenen özellik için sorumlu geni bularak, bilim insanları biyo-belirteç etiketleri oluşturabilmiş ve bu sayede üreticileri, Sorgum varlığını hızlı bir şekilde tespit edebilme ve diğer faydalı özelliklere sahip bir Sorgum çeşidine dahil etmek için test edilmesini sağlamıştır. Göz atmak isterseniz ekibin çalışması, The Plant Cell Dergisi’nde ayrıntılı bir şekilde anlatılmıştır.

Purdue’da seçkin bir Agronomi Profesörü ve Purdue Küresel Gıda Güvenliği Merkezi’nin Yönetici Direktörü olan Ejeta, “Bu çalışmanın önemi göz ardı edilemez. Bu, bilimsel olarak önemli bir atılım ve Purdue’da gelişmekte olan ülkelerdeki ortaklarıyla birlikte onlarca yıllık ortak Sorgum iyileştirme araştırmasının bir sonucudur.” demiştir.

Purdue Bitki Bilimleri’ndeki Sonraki Hareketleri’nin ve Purdue’nin Bitki Biyolojisi Merkezi’nin bir parçası olan Mengiste, Sorgum bitkisinin dünya çapında gıda güvenliği için anahtar bir tahıl mahsülü niteliğinde olduğunu söylemiştir. Mengiste; “Birçok yönden dayanıklı bir bitkidir, ancak Mantar Hastalıkları ile başa çıkamamaktadır. Bu patojenlerden en önemlilerinden biri, Antraknoz’dur ve bitkinin tüm kısımlarına yani yapraklara ve gövdeye gibi bölgelerine saldırmaktadır. Afrika’da öncelikli olan gıdalar olmak üzere Amerika’da da biyoyakıtlar ve hayvan yemleri için kullanılabilecek hiçbir şey bırakmamaktadır.” demektedir.

Gıda Geleceğinde Başarılı Adımlar

2014 yılında USAID, Kansas Eyalet Üniversitesi tarafından yönetilen Sorgum ve Darı üzerine işbirliğine dayalı araştırma için Geleceğin Yenilikçilik Laboratuvarı’nda,  Etiyopya’da Antraknoz Hastalığı’na karşı konukçu-bitki direnci arayışı için ilk yatırım yapılmıştır.

Kansas Eyaleti’nde Laboratuvar Müdürü ve Tarım Ekonomisi Profesörü olan Timothy J. Dalton, bu konu hakkında “Bizim amacımız, Batı Afrika ve Etiyopya’daki Sorgum çiftçileri ve tüketicilerinin gıda güvenliğini ve dayanıklılığını arttırmaktır.” demektedir.

Mengiste ve Etiyopya’dan Feed the Future Innovation Lab’e bağlı olan önceki bilim insanı ekibi, hastalık ve kuş direncini* (ekinlerde Sorgum, mısır vb. mahsullerde olgunlaşan tohumları veya tahılı kuşların zarar görmesinden korumak için biyokimyasal veya morfolojik genetik özelliklerin kullanılması) artıran ve daha iyi bir verim sağlayan bir Sorgum çeşidi olan Merera adlı bir çeşidi başarıyla geliştirdi.

Ejeta bu konuda, “İklim değişikliği olayları, Sorgum gibi kuru arazi mahsullerinin daha fazla yağış alan veya sulanan bölgelere üretimini değiştirdikçe veya zorunlu kıldıkça, yaprak hastalıkları daha da önemli hale geliyor. İşte tamda bu durumlarda güçlü genler, çok önemli olmaktadır.” diyerek eklemektedir, “Kimyasal kontrol genellikle etkisizdir, ekonomik olarak uygun değildir ve çevresel kaygılara neden olur. En etkili olan, ekonomik olarak sürdürülebilir ve çevre dostu hastalık kontrol stratejileri, bitki genotiplerini kullanarak hastalık direncini sağlayanları kapsamaktadır. Bu da çiftçilerin istediğidir ve sorgumun yeni tasarımını benimsemektedirler.”

Parazitik DNA Tarafından Etkilenen Olağandışı Bir Gen

ARG1 geninin düzenlenmesi alışılmadıktır, ikinci bir gende gömülüdür ve her iki genin de transpoze edilebilen parçalar olarak da anılan küçük taşınabilir DNA dizileri tarafından değiştirildiği görülmektedir.

Araştırmaya katılan Botanik ve Bitki Patolojisi Doçenti Damon Lisch’in söylediğine göre transpoze edilebilen elementler, aynı moleküler virüsler ya da parazitler gibi genomda yaşayarak nesilden nesile aktarılmaktadır.

Lisch’ e göre ARG1 geninin gömülü olduğu gen, bir Antisens RNA’dır. Antisens RNA, ARG1 geninin, tam karşıt ifadesidir ve bu da ikisinin de birbirine istemeyerek müdahale edebileceği durumlara yol açarak sonlanabilir. Tüm Sorgum bitkilerinde bu iki genin bazı versiyonları bulunmaktadır ama duyarlı Sorgum çeşitleri, çok fazla Antisens RNA ve çok az ARG1 genini ifade eder ve bu da işlevsiz bir proteini kodlar gibi görünmektedir. ARG1’in hastalığa dirençli versiyonu çok daha yüksek bir seviyede ifade edilir, işlevsel proteini kodlar ve  daha az interferensa neden olan, kapatılmış bir Antisens RNA geni ile ilişkilidir.

Lisch, transpoze edilebilen parçaların devreye girdiği yerin burası olduğunu söylemiştir:

Transpoze edilebilen parçaların ekleme yapılması, genellikle zararlıdır. Ancak bu durumda, mantar patojenlerine karşı direnci optimize etmek için her iki geni ‘yeniden programlama’ ile transpoze edilebilen parçaların fayda sağladığı görülmektedir. Bir bakıma, bitkilerdeki bozuk sistemi düzeltmektedir.

Lisch, hastalığa dirençli ve hassas sorgum hatlarının genomunu incelediğinde transpoze edilebilen parçaların ARG1 geni ile ilişkili olduğunu keşfetmiştir. Transpoze edebilen parçalarla ve diğer taşınabilir DNA’yla çalışmaktadır ve meslektaşları tarafından paylaşılan genomlarda, eğlencesine onları aramayı seviyorlar.

Transpoze edilebilen parçaların bazı insan ve bitki hastalıklarında rol oynadığı bilinmektedir, ancak hastalık direnci sürecine katılmaları şu an için mümkün gözükmemektedir. Teknolojik gelişmelerle bir gen dizisi içindeki bu parazitik DNA ipliklerini tespit edebiliyoruz ve onları her yerde bulabiliyoruz.

Uygulama ve Teorik Araştırmanın Birleşimi

Mengiste, bulguların Sorgum ve diğer bitki türleriyle ilgili diğer genetik araştırmalar ve bunun yanı sıra, gen ekspresyonunun ince ayarını yapmanın yolları hakkında bilgi sağlayacağını söylemektedir. Teorik ve uygulamalı araştırmaların kombinasyonu, araştırmalarda zengin bir bilgi birikimi sağlamaktadır. Bazıları şimdi kullanılacak ve bazıları da gelecekteki inovasyonlara yön verebilir.

ARG1 genini tanımladıktan sonra durabilirdik, ancak biz daha derinlere indik. Eğer bunu yapmasaydık, dirençle ilgili proteini basitçe düzeltebileceğimizi düşünebilirdik. Şimdi ise gen düzenlenmesini çok daha iyi anlayabiliyor ve Bitki Bilimi’nde devrime yol açacak, gelişmekte olan bir alana dair ek görüşe sahibiz.

Kaynak: https://phys.org/news/2022-01-gene-closer-super-sorghum.html

*Ek kaynak: Sanghun Lee et al, Broad spectrum fungal resistance in sorghum is conferred through the complex regulation of an immune receptor gene embedded in a natural antisense transcript, The Plant Cell (2021).  DOI: 10.1093/plcell/koab305

Görsel Kaynak: https://phys.org/news/2022-01-gene-closer-super-sorghum.html

Editör: Elif Berfin KORGAN