Gece Sırrı

Bilim insanları, milyonlarca yıl boyunca gerçekleşen genetik değişimlerin tropikal ağaçlarda su tasarrufu sağlayan bir fotosentez mekanizmasını nasıl ortaya çıkardığını belirledi.

Viyana Üniversitesi'nden Wolfram Weckwerth liderliğindeki araştırma ekibi, üç Clusia türünün genomlarını karşılaştırarak bu bitkilerin kuraklığa karşı geliştirdiği farklı uyum stratejilerini inceledi. Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışma, elde edilen bulguların gelecekte kuraklığa dayanıklı tarım ürünlerinin geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini gösteriyor.

Bitkiler, güneş ışığını kullanarak su ve karbondioksiti enerji bakımından zengin şekerlere ve oksijene dönüştürmek için farklı fotosentez yöntemleri geliştirdi. Ancak su kaynakları azaldığında bu süreç daha zor hâle geliyor. Bazı tropikal ağaçlar, karbondioksiti geceleri alıp depolayarak gündüz su kaybını azaltan özel bir mekanizma kullanıyor.

200 yıllık fotosentez gizemi

Alexander von Humboldt, yaklaşık 1800 yılında tropikal bir ağacı incelerken sıra dışı bir durumla karşılaştı. Ağacın yapraklarından birini suya yerleştirdiğinde, daha önce gözlemlediği oksijen kabarcıklarının güneş ışığında bile oluşmadığını fark etti. Bu durumun açıklaması, bitkinin alışılmadık günlük çalışma düzeninde yatıyor. Normalde gündüzleri karbondioksit alan ve oksijen salan, stoma adı verilen küçük gözenekler güneş ışığı altında kapalı kalıyor. Böylece buharlaşma yoluyla su kaybı azalıyor. Bitki bunun yerine gece boyunca karbondioksit alıyor, bu gazı kimyasal olarak bağlıyor ve malik asit biçiminde depoluyor. Bu mekanizma, CAM fotosentezi olarak biliniyor. İngilizce Crassulacean Acid Metabolism ifadesinin kısaltması olan CAM, Türkçede dam koruğu asit metabolizması olarak adlandırılıyor. Bilim insanları CAM fotosentezinin nasıl çalıştığını uzun zamandır biliyor. Ancak bu mekanizmanın Clusia cinsi içinde nasıl evrimleştiği ve farklı türlerin neden farklı biçimlerde kullandığı bugüne kadar tam olarak açıklanamamıştı.

Üç tropikal ağacın genomları karşılaştırıldı

Araştırmacılar, bu sorulara yanıt bulmak amacıyla farklı CAM özelliklerine sahip üç Clusia türünün genomlarını analiz etti: Clusia rosea, Clusia minor ve Clusia major. Ekip, moleküler verileri bitkilerin doğal koşullara yakın çevrelerde nasıl işlev gösterdiğine ilişkin ölçümlerle birleştirdi. Clusia cinsi, fotosentezin evrimini araştırmak açısından özel bir öneme sahip. Çünkü CAM fotosentezi kullandığı bilinen tek ağaçlar bu cins içinde bulunuyor. Ayrıca bu türler, gündüz karbondioksit alan geleneksel C3 fotosentezinden çok güçlü CAM fotosentezine kadar uzanan geniş bir çeşitlilik gösteriyor. Bu çeşitlilik, bitkilerin fotosentezin farklı biçimleri arasında nasıl geçiş yapabildiğini incelemek için bilim insanlarına nadir bir fırsat sunuyor.

Milyonlarca yıllık genetik değişim

Genom analizleri, incelenen üç Clusia türünün de geçmişte poliploidi adı verilen bir süreçten geçtiğini ortaya koydu. Bu süreçte bitkilerin genomları evrimsel tarihlerinin bir noktasında çoğaldı. Daha sonraki milyonlarca yıl boyunca ise genişleyen genomlar yeniden düzenlendi ve değişime uğradı. Bu ikinci süreç diploidizasyon olarak adlandırılıyor. Araştırmanın başyazarı Hannes Kramml, Viyana Üniversitesi Fonksiyonel ve Evrimsel Ekoloji Bölümündeki Moleküler Sistem Biyolojisi Biriminden, bu değişimler sırasında gen kopyalarının kaybolabildiğini, etkisiz hâle gelebildiğini veya yeni işlevler kazanabildiğini açıkladı. İkinci başyazar Johannes Herpell ise CAM metabolizmasında karbondioksitin gece depolanması için kritik öneme sahip genlerin bu değişimlerden özellikle etkilendiğini belirtti. Bitkiler, aynı genlerin fazladan kopyalarını taşımakla yetinmedi. Zaman içinde çoğalmış genomlarını farklı işlevlere sahip yeni bir yapıya dönüştürdü.

Çalışmanın lideri Wolfram Weckwerth, genomların yalnızca çoğalmadığını; milyonlarca yıl boyunca yeniden düzenlendiğini, küçüldüğünü ve işlevsel açıdan yeniden yapılandırıldığını ifade etti. Weckwerth'e göre bu yüksek genetik esneklik, Clusia cinsi içinde CAM fotosentezinin farklı biçimlerde ortaya çıkmasını açıklıyor.

Her ağaç farklı bir su tasarrufu yöntemi kullanıyor

Araştırmacılar, genetik farklılıkların bitkilerin fizyolojisini nasıl etkilediğini anlamak için üç türü de doğal koşullara yakın sera ortamlarında gün boyunca izledi. Deneylerde bitkilere sunulan su miktarı da değiştirildi. Ekip, bitkilerin fizyolojik işleyişine ilişkin ölçümleri gen aktivitesi, proteinler ve metabolik ürünlerin analizleriyle birleştirdi. Üç türün birbirinden belirgin biçimde farklı stratejiler kullandığı görüldü.

Clusia rosea: Güçlü CAM fotosentezi gerçekleştiriyor ve gece boyunca önemli miktarda karbondioksiti malik asit olarak depoluyor.

Clusia minor: CAM fotosentezini ağırlıklı olarak stresli koşullarda devreye sokuyor.

Clusia major: C3 fotosentezi ile CAM fotosentezini birleştiren karma bir strateji kullanıyor.

Bu fizyolojik farklılıklar, gen aktivitesi ve metabolizma örüntülerinde de kendini gösterdi. Böylece araştırmacılar, bitkilerin davranışlarıyla tespit ettikleri genom değişiklikleri arasında bağlantı kurabildi.

Bulgular, Clusia cinsindeki CAM fotosentezinin tek bir evrimsel olay sonucunda ortaya çıkmadığına işaret ediyor. Bunun yerine genomların tekrarlanan yeniden yapılanma süreçleri, su tasarrufu sağlayan mekanizmanın farklı biçimlerini oluşturmuş olabilir. Bu değişimler, türlerin birbirinden farklı ekolojik koşullara uyum sağlamasına yardımcı olmuş olabilir.

Kuraklığa dayanıklı tarım ürünleri için yeni ipuçları

Araştırmanın sonuçları, tropikal ağaçların ötesinde tarım alanında da önem taşıyabilir. CAM fotosentezi gerçekleştiren bitkiler, yalnızca geleneksel fotosentez yöntemlerine dayanan bitkilere kıyasla önemli ölçüde daha az suya ihtiyaç duyabiliyor. Bu özellik, onları iklim değişikliğine dayanıklı tarım ürünleri geliştirmek için potansiyel birer model hâline getiriyor.

Araştırmada elde edilen yeni genom bilgileri, karbondioksitin verimli biçimde bağlanmasını ve suyun daha etkili kullanılmasını sağlayan metabolik süreçlerin belirlenmesine yardımcı olabilir. Uzun vadede bu bilgiler, kurak ve su kaynaklarının sınırlı olduğu çevre koşullarına daha iyi uyum sağlayabilen tarım ürünlerinin geliştirilmesinde kullanılabilir. Bununla birlikte araştırma, doğrudan yeni bir kuraklığa dayanıklı tarım ürünü geliştirildiğini göstermiyor. Bulgular, bitkilerin suyu daha verimli kullanmasını sağlayan biyolojik mekanizmaların anlaşılması ve gelecekte bu mekanizmalardan yararlanılması için önemli bir temel sunuyor.