Buğday ve Arpa

INRAE, Clermont Auvergne Üniversitesi ve CNRS'den araştırma ekipleri, tarımsal açıdan önemli 84 bitki türünün ortak ataları olan 10 antik genomu yeniden oluşturdu.

Çalışma, farklı bitki türlerinde ortak bulunan ve evrim boyunca korunmuş bazı genlerin kuraklık gibi çevresel koşullara uyumda önemli rol oynayabileceğini ortaya koyuyor.

Karşılaştırmalı araştırmada buğday ve arpa genlerine odaklanıldı. Ekipler, bu ürünlerin insanlar tarafından evcilleştirilmesi ve seçilmesiyle geçen 10 bin yıllık süreçte iklim değişikliklerine uyum sağlamalarına yardımcı olmuş yaklaşık 100 gen varyantı belirledi. Araştırmacılar ayrıca bilim insanları ve bitki ıslahçıları için iki açık erişimli araç geliştirdi.

Sonuçları Molecular Plant ve Nature Plants dergilerinde yayımlanan çalışma, iklim değişikliğine uyum sağlamak zorunda olan yeni bitki çeşitlerinin geliştirilmesi için farklı olanaklar sunuyor.

Modern Bitkilerin Atası Genleri Yeniden Oluşturuldu

Farklı bitki türleri, belirli çevresel koşullara uyum sağlamada önemli olabilecek ortak genleri taşıyor. Araştırma ekipleri, bir türdeki genin işlevine ilişkin bilgilerin bitki ıslahında önem taşıyan başka bir türün incelenmesinde kullanılıp kullanılamayacağını araştırdı. Ekipler, dünya genelinde yetiştirilen bitkileri temsil eden 84 modern çiçekli bitkinin genomlarını analiz edip karşılaştırdı. Bu çalışma sayesinde, 200 milyon yıldan daha eski 10 atasal paleogenom yeniden oluşturuldu. Bu genomlar, modern türlerin "kurucu" genleri olarak değerlendirilebiliyor.

Bu paleogenomlar, ortak bir genomik atasal bağlamı ve aynı biyolojik işlevi korumuş genlerin belirlenmesini sağlıyor. Dolayısıyla bu genler, farklı türlerde belirli özelliklerin veya biyolojik süreçlerin oluşumuna katkı sağlamaya devam ediyor olabilir. Bu genler, kuraklığa dayanıklılık veya çiçeklenme zamanı gibi modern tarım açısından önem taşıyan özelliklerin geliştirilmesinde rol oynayabilir.

Paleogenomların yeniden oluşturulması yalnızca tarımsal açıdan önemli genlerin belirlenmesini sağlamadı. Aynı zamanda bitkilerin evrimsel geçmişine ilişkin önemli bilgiler sundu. Araştırmacılar, büyük bitki familyalarının ortaya çıkış zamanlarını belirleyebildi ve sucul bitkiler ile karasal bitkiler, otsu bitkiler ile odunsu türler, C3 ve C4 bitkileri ile modülatör ve modülatör olmayan türlerin ayrışmasına uzanan önemli evrimsel süreçleri izleyebildi.

1.000'den Fazla Buğday ve Arpa Çeşidi Karşılaştırıldı

Buğday ve arpa, her ikisinin de tarımsal açıdan büyük önem taşıyan tahıllar olması nedeniyle araştırmanın merkezine alındı. Her iki ürün de 10 bin yıldan daha uzun süre önce Bereketli Hilal'de evcilleştirilen ilk tarım ürünleri arasında yer alıyor. Bu iki tahıl, tarımın ortaya çıkışında önemli rol oynadı. Ayrıca tarihsel gelişimleri ve insanların onları yetiştirdiği çevresel koşullar bakımından önemli benzerlikler taşıyor. Bu özellikleri, korunmuş önemli genlerin analiz edilmesi ve karşılaştırılması açısından onları uygun bir araştırma konusu haline getiriyor.

Araştırmacılar, buğday ve arpanın küresel genetik çeşitliliğini temsil eden 1.420 modern çeşidi karşılaştırdı. Çalışmaya ayrıca 5 bin yıl öncesine ait antik buğday kalıntıları da dahil edildi.

Bu analiz, iki türün tarihsel evrimi sırasında korunan genetik varyantların belirlenmesini sağladı. Buğdayda ekip, daha önce başka türlerde bilinen üç genin işlevini doğruladı. Bu genlerden ikisi sırasıyla verim ve çiçeklenme tarihini etkilerken, üçüncü gen epigenetik düzenlemeyle ilişkilendirildi. Bu mekanizma, genlerin ne zaman ve ne ölçüde aktif hale geldiğini etkileyebiliyor.

Bu türler arasında paylaşılan paleogenomların karşılaştırılması, hem korunmuş genler hem de benzer iklim koşullarında gelişen buğday ve arpa popülasyonlarında seçilmiş uyum genleri hakkında bilgi sağladı.

Her iki tahıl da insanların 10 bin yıllık evcilleştirme ve seçilim sürecinde benzer çevresel koşullara uyum sağlamak zorunda kaldı. Bu nedenle belirlenen genetik varyantlar, özellikle tarımın iklim değişikliğine uyum sağlamasında yeni çeşitlerin geliştirilmesi için önem taşıyor.

Genleri Karşılaştıran İki Açık Erişimli Araç

Araştırma kapsamında bilim insanları ve özel sektördeki bitki ıslahçıları tarafından kullanılabilecek iki ücretsiz ve açık erişimli bilgisayar aracı geliştirildi. İlk araç olan AGR (Ancestral Genome Reconstruction), modern bitki genomlarının karşılaştırılmasına ve nesli tükenmiş kurucu paleogenomların yeniden oluşturulmasına olanak tanıyor. Araç aynı zamanda türler arasında korunmuş genlerden oluşan ve uzmanlar tarafından düzenlenmiş bir katalog sunuyor.

İkinci araç olan OrthoViewer ise tarımsal açıdan önemli 84 bitki türündeki korunmuş genlere erişim sağlayan bir veri tabanı olarak geliştirildi. Veri tabanında, bilimsel literatürde biyolojik işlevi ve tarımsal önemi tanımlanmış 1.142 gen bulunuyor.

Korunmuş genlerden oluşan bu katalog, farklı türlere ait küresel genetik çeşitlilik verilerinin karşılaştırılmasına yardımcı oluyor. Böylece farklı türlerde ortak şekilde seçilmiş ve uyum sağlayıcı özellik taşıyan genetik varyantlar belirlenebiliyor.

Bu varyantlar, yeni bitki çeşitlerinin geliştirilmesi çalışmalarında kullanılabilecek adaylar arasında yer alabilir.

Yöntem Farklı Tarım Bitkilerine Uygulanabilir

Buğday ve arpa üzerinde gerçekleştirilen çalışmada kullanılan yöntem, tarımsal açıdan önemli diğer bitki türlerine de uygulanabiliyor.

Yöntem, farklı bitki familyalarından ve günümüzde yetiştirilen tarım ürünlerinden oluşan 84 türün kurucu paleogenomlarına dayanıyor. Araştırma ekipleri paleogenomlar üzerindeki çalışmalarını sürdürüyor. Çalışmaların özellikle buğday, arpa, pirinç, mısır ve sorgumda korunmuş uyum işlevlerine sahip genetik varyantların belirlenmesine odaklandığı belirtiliyor.

INRAE araştırma direktörü Jérôme Salse, bitki ve hayvan türlerinin evcilleştirilmesi ve seçilmesi sırasında genetik varyantların nasıl değiştiğini anlamanın, farklı türlerde benzer iklim koşulları altında seçilmiş varyantların belirlenmesine yardımcı olduğunu ifade etti.

Salse'a göre bu bilgiler, günümüzde iklim değişikliği ve agroekolojik dönüşümün ortaya çıkardığı koşullara uyum sağlayabilecek genotiplerin geliştirilmesinde kullanılabilecek önemli veriler sunuyor.