Tarım Sektöründe Moleküler Genetı̇k

Genom dizileme tekniği sayesinde bitki/hayvan ıslahçıları ve genetikçilerinin çalışmalarında yenilikler mümkün olmuştur

Dergi 16.01.2023, 12:10

İnsanların bitki ve hayvan popülasyonlarından gelen doğal çeşitlilikten faydalanması M.Ö 18. yüzyıla kadar dayanmaktadır. Doğada var olan bu çeşitlilik, gıda güvenliğimizi sağlayan hayvancılık ve tarım sektörünün gelişmesine önayak olmuştur. Bu süreç boyunca insanoğlu farkında veya farkında olmadan doğadaki hayvanların ve bitkilerin en verimli olanlarını; üretkenlik, lezzet gibi etmenleri göz önünde bulundurarak aşamalı bir şekilde ıslah etmiştir. Bir diğer deyişle, istenilen özelliklere sahip olan hayvanları ve bitkileri seçerek gelecek nesillerin genetik yapılarının doğal yollarla değişmesi sağlanmıştır. Canlılara özgü bu karakterlerin genetik açıdan temeli Gregor Mendel adlı bilim insanı tarafından 1865 yılında keşfedilmiştir ve bu keşifle elde edilen bilgiler 20. yy. itibarıyla bitki/hayvan ıslahçıları ve genetikçileri tarafından kullanılmaya başlanmıştır. Karakter-genetik ilişkisinin farkına varılmasıyla birlikte canlının sahip olduğu özelliklerin nesilden nesile kalıtsal olarak aktarıldığı anlaşılmış ve hayvan yetiştiricileri tarafından et, süt, yün vb. veriminin artırılması için üretim sektöründe ebeveyn olarak yüksek verimli bireyler tercih edilmiştir.

Genetik kodun ve genlerin temelinin moleküler anlamda ne olduğu 1950'lerde aydınlanmaya başlanmıştır. O dönemlerde genlerin yapısının azotlu organik bazların yani nükleotidlerin farklı kombinasyonlarla dizilimi sonucu oluştuğu ve bu dizilimin canlının fenotipinde yani dış görünüşünde değişikliğe neden olduğu biliniyordu. İlerleyen 20-30 yıllık süreçte canlıların sahip olduğu fenotipik farklılığın nükleotidlerin farklı dizilimine yansımasıyla meydana gelen genlerin yani bir diğer deyişle genetik markörlerin genom analizleri ve genetik çalışmalarında kullanılabileceği anlaşılmış, böylece eski dönemlerdeki fenotip baz alınarak doğal yollarla yapılan seçilimlerin aksine daha verimli bitkiler ve hayvanlar elde edebilmek için genetik markörler kullanılmıştır. Bu sayede yapay seçilimin önü açılmış ve hedeflenen canlıda istenilen özellikler daha yüksek bir doğrulukla elde edilmiştir.

Genetik markörlerle yapılacak bir eleme işleminin başarıya ulaşması, değişiklik yapılması hedeflenen genin DNA üzerindeki spesifik konumunun bilinmesine bağlı olduğundan, 1980'lerden beri pek çok basit nitel ve karmaşık nicel özelliklerin kalıtsal bir şekilde aktarılması ile ilgili haritalandırma çalışmaları yapılmış ve bitkilerde virüs, mantar ve bakteri gibi patojenlere karşı pek çok direnç genlerinin konumu saptanmıştır. Haritalandırma metodu sayesinde tespit edilen ve verimlilik üzerinde önemli role sahip olan hayvan ve bitkiye ait direnç genlerinden yararlanılarak genetik markör destekli yapay seleksiyon işlemi uygulanmıştır.

Günümüzde bireylerin DNA dizilimindeki fenotipik farklılıkları sayesinde gen konumları ve allelik etkileri üzerine araştırma yapmak mümkün olmuştur. Gen haritalama çalışmaları sayesinde evcilleştirilmiş bitki ve hayvan türlerinin büyük bir kısmının tüm genom dizileme işlemleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. İstenilen özelliklere sahip olan bir birey baz alınarak yapılan haritalandırma işlemleri, diğer bireyler üzerinde yapılacak yapay seçilim çalışmalarına referans olmuştur. Allel madenciliği olarak da bilinen bu dönemde genetik kaynaklar taranarak istenilen allellere sahip olan bireylerden elde edilen canlı tohum ve dokular çeşitli araştırmalarda kullanılmak üzere germplazm bilgi ağına eklenmiştir ve böylece yeni bireyde istenilen allelerin hızlı ve kolay bir şekilde seçilmesi mümkün olmuştur.

Tüm genom dizileme tekniği öncülüğünde yapılan seçilim çalışmaları sayesinde bitki ve hayvan ıslahçıları ve genetikçilerinin kullandıkları tekniklerde yenilikler yapılabilmiştir. Bu bağlamda canlının istenilen karakterlerini belirlemek için seçilen binlerce markör ile yüksek verime sahip olan bireylerin seçilimi mümkün olmuştur.

Verimi artırmak için yapılan tekniklerden bir diğeri ise istenilen bireye belirli genlerin aktarılması veya gen mühendisliği kullanılarak genetiği değiştirilmiş bireyin seçilmesidir. Gen düzenleme teknolojileri genetik çeşitlilik bakımından yoksun olan yeni türleri evcilleştirmek ve alleller üzerine araştırmalar yapabilmek için kullanılabilir. Örneğin, bitkilerin böceklerin vereceği zarara karşı daha dirençli olması için soya fasulyesi ve pamuk dahil olmak üzere pek çok tarımsal ürüne bakteri vektörleri aracılığıyla böceklere karşı direnç sağlayan proteinler aktarılmıştır.

Günümüzde daha popüler olan bir diğer teknikte ise organizmanın genomu özel koşullarda mutasyona uğratılarak gen düzenlemesi yapılmaktadır. Bu amaç için en yaygın kullanılan tekniklerden biri olan CRISPR/Cas9 metodunda üzerinde çalışılan genomun 18-22 bazlık bir parçası hedef- lenir. Bu metotta canlı üzerinde yapılacak olan değişikliğin genom üzerindeki konumunun net bir şekilde belirli olma- sından ötürü diğer genetik modifikasyon tekniklerine göre çok daha az risk söz konusudur.

Tarımda moleküler genetik alanında uygulanacak en son teknoloji ise makine öğrenimi ve derin öğrenme gibi yapay zekâ yöntemlerinin kullanımıdır. Son yıllarda oldukça ilerleme kaydedilen işlemci teknolojisi sayesinde oldukça artan kompütasyonel güç, yapay zekâ yöntemlerinin günlük yaşamda bile pek çok uygulamada kullanılmasının önünü açmış ve büyük veri setlerinin kullanıldığı moleküler ıslah teknolojileri de bu yapay zekâ yöntemlerini kullanmakta geri kalmamıştır. Yakın gelecekte bu yapay zekâ teknolojileri bitki ve hayvan türleri için en ideal karakterlerin belirlenmesinde ve bu karakter verilerinin uygun algoritmalar ile işlenmesiyle en ideal çeşitlerin geliştirilmesinde bizlere yol gösterecektir.

Sonuç olarak moleküler genetik ve tarımdaki sayısız uygulamalar, sağlıklı ve iyi beslenmiş bir küresel nüfusun oluşmasına, küresel iklim değişikliğinin düzenlenerek çevrenin korunmasına ve olası zorlukların üstesinden gelinmesinde kullanılacaktır.

Prof. Dr. Sami Doğanlar, Prof. Dr. Anne Frary, Berkay Ekinci, Buse Nur Kıral

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü