17.02.2015

1

MBG-747 BİTKİ BİYOTEKNOLOJİSİ 2

Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ

Bitki BiyoteknolojisiMBG-645

Güz – 2013

Ders Müfredatı

Hafta Dersin Konusu Ek Notlar 1. Biyoteknolojinin Önemi -2. Genetik Belirteçler Öğrenci Sunumu (A1)3.&4. Bitki Doku Kültürü Öğrenci Sunumu (A2,4.hafta)5. Bitki Doku Kültürü Uygulamaları Öğrenci Sunumu (A3)6. In vitro Bitki Stresi -7. Somaklonal Varyasyon Öğrenci Sunumu (A4)

8.&9. Sekonder Metabolit Üretimi Öğrenci Sunumu (A5,9.hafta)10. Kitle Çoğaltımda Biyoreaktör Kullanımı Öğrenci Sunumu (A6)11. Orta Süreli Germ. Saklanması -12. Kriyoprezervasyon I Öğrenci Sunumu (A7)13. Kriyoprezervasyon II Öğrenci Sunumu (A8)14. Fitoremeditasyon Öğrenci Sunumu (A9)

17.02.2015

2

İleri Bitki BiyoteknolojisiMBG-747

Bahar 2015, PAZARTESİ- 13.00-16.00

Ders Müfredatı

Hafta Dersin Konusu1. Tarımsal Teknoloji2&3 Transgenik Bitki Eldesi ve Kullanılan Yöntemler (I&2)4. Transgenik Bitki Eldesi (III)5. Bitkilerde Kuraklık ve Tuzluluk Stresine Karşı Direncin Arttırılması 6. Bitkilerde Herbisit ve Böceklere Karşı Direncin Arttırılması7.&8 Transgenik Bitkilerin Belirlenmesi (I&2) 9. Kloroplast Mühendisliği 10. Kloroplast Mühendisliği ile Üretilen Rekombinant Proteinler 11. Bitkilerde antikor üretimi 12. Bitkilerde Antisens Teknolojisi 13. Bitki Savunmasında DNA Mikroarrayleri 14. Bitkilerde Biyodizel Üretimi

Not Sistemi

Derse Katılım %10Sözlü Sunumlar ve Yazılı Rapor %15Quizler %15Final Sınavı %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.

17.02.2015

3

TRANSGENİK BİTKİ ELDESİ

-Agrobacterium arayıcılığı ile gen transferi

TRANSGENİK BİTKİ ELDESİ

-Biyolistik arayıcılığı ile gen transferi

17.02.2015

4

Kuraklık ve Tuzluluk Stresine Karşı Direncin Arttırılması

Herbisit ve Böceklere Karşı Direncin Arttırılması

17.02.2015

5

Transgenik Bitkilerin Belirlenmesi

Kloroplast Mühendisliği

17.02.2015

6

Kloroplast Mühendisliği ile Üretilen Rekombinant Proteinler

BİTKİLERDE ANTİKOR ÜRETİMİ

17.02.2015

7

ANTİSENS TEKNOLOJİSİ

BİTKİ SAVUNMASINDA DNA MİKROARRAYLERİ

17.02.2015

8

BİTKİLERDE BİYODİZEL ÜRETİMİ

Birleşmiş Milletler dünya nüfusunun 2020 yılına kadar %25 artarak,7.5 milyarı bulacağına işaret etmektedir. Ortalama olarak, dünyanüfusuna yaklaşık % 97’ si gelişmekte olan ülkelerde olmak üzereyılda 73 milyon kişi eklenmektedir. Şu anda yaklaşık 1.2 milyon kişiyoksulluk sınırında ve okul öncesi yaştaki 160 milyon çocuk açlık ilemücadele etmektedir. Çok sayıda kişi demir, çinko ve vitamin A gibimikro elementlerin eksikliğinin yol açtığı bozukluklara sahiptir.Güvensiz yiyecek ve açlık ciddi boyutta halk sağlığı sorunları ortayaçıkarmakta ve can kaybına yol açmaktadır. Ürün üretimi için uygunekilebilir alan miktarı da şehirleşme ve toprak degradasyonunedenleriyle gün geçtikçe azalmakta ve bu eğilimin gelişmiş ülkelerenazaran gelişmekte olan ülkelerde daha da dramatik bir hal almasıbeklenmektedir. 1990 yılında sadece Mısır, Kenya, Bangladeş,Vietnam ve Çin’de kişi başına 0.25 hektardan daha az ekilebilir alanbulunurken, 2025 yılında bu ülkeler arasına Peru, Tanzanya,Pakistan, Endonezya ve Filipinler’ in de eklenmesi beklenmektedir.Ekilebilir alan miktarındaki bu azalmalar ve nüfusta görülen bu artışönümüzdeki 20-30 yılda yiyecek güvenliğini önemli orandaetkileyecektir.

17.02.2015

9

1950 ve 1980 yılları arasında toplam tahıl üretiminde gözlegörülür bir artış gözlenirken, 1980-1990 yılları arasında çokaz artış sağlanmıştır. Önceki artış daha çok ekim alanındaartış, sulama, daha iyi tarımsal uygulamalar ve çeşit gelişiminedeniyleydi. Gelişmiş ülkelerde çeşitli ürünlerin verimi enüst seviyelere ulaştığından, gelecekteki üretim artışıgelişmekte olan ülkelerde doğal kaynakların daha iyiyönetimi ve ürün gelişimi ile sağlanır. Uzun süreli ekonomikbüyüme için üretimin artması gerekmektedir ve bu kısasürede artan dünya nüfusu için gereken yiyecek temini içinönemlidir. Bu anlamda biyoteknoloji, yakın gelecekte gıdaüretiminde önemli bir rol oynayacaktır.

Genetik mühendisliği bitki yetiştiricilerine yerel çeşitlere yüksek verimleaktarılabilen çok sayıda yeni gen ve özelliklere erişimi sağlamaktadır.Bu yaklaşım tarımsal geçmişe sahip seçkin çeşitlere önemli gen veözelliklerin hızlı aktarımına olanak sağlar.Biyoteknolojinin ürün üretimine gelecekte olacak etkileri başlıca şualanlarda olacaktır:•genetik erkek kısırlığına dayalı yeni hibrit bitkilerin geliştirilmesi,•melez bitkilerde verimin arttırılması için transgenik teknolojisininkullanımı,•böcek, pestisit, hastalık ve abiyotik stres etkenlerine karşı direncinarttırılması,•biyokontrol ajanlarına karşı etkinliğin arttırılması,•ürünlerin besin değerlerinin (A vitamini ve demir) ve hasat sonrasıkalitelerinin 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.

17.02.2015

10

Böcek, pestisit ve hastalıklara dirençli yeni çeşitlerin gelişimi biyokontrol ajanlarıile beraber kullanıldığında hem pestisitlerin kullanımı azaltarak hem de çiftçilerinmahsul korumak için harcadıkları maliyeti düşürerek çevre ve insan sağlığınayararlı olacaktır. Benzer olarak, yabani otların kontrolünde herbisit dirençliliği içingeliştirilen genetik modifikasyon çiftçilerin gelirini arttırırken, yabani otlardankurtulmak ve herbisit uygulaması için gereken iş gücünü azaltacaktır. Ürünveriminin arttırılması ile tarımsal biyoteknoloji üretim için yeni alanlara olangereksinimi azaltabilir ve böylelikle ürün üretimi için yetersiz olan alanlardakibiyoçeşitliliğin korunmasını sağlar. Bu teknolojinin potansiyeli ılıman ve yarı tropikiklimlerde yetişen model bitki türlerinde denenmiştir. Biyoteknolojinin vaat ettiğigelişmeler, biyotik ve abiyotik stres etkenlerine karşı direncin ve besleyici özelliğinarttırılması yoluyla ürün veriminin iyileştirilmesi genomik ve transgenikaraştırmalar sonucunda ortaya çıkan bilgi ve ürünün kullanımı ile gerçekleşebilir.

2. Genomiks devrimiSon 20 yıl insan, maya, Caenorhabditis elegans, Arabidopsisthaliana ve pirincin genom dizisinin belirlenmesi ile geçti.Sistematik olarak gen dizilerinin çıkartılması, ürün üretimi veyüksek verim eldesine katkıda bulunan özelliklerin manipuleedilmesi konusundaki fikirlerimizi değiştirecek gen ve genomorganizasyonu ve işleyici hakkında önemli bilgiler edinmemizisağlayabilir. Benzer olarak, mikroarray teknolojisinde eldeedilen gelişmeler, genin işleyişini ortaya çıkartacak çoksayıda genin analizi ve simultan ekspresyonuna ve değişençevre koşulları altında farklı fenotiplerin oluşması ilesonuçlanan genler arasındaki karmaşık çoklu etkileşimlerinanlaşılmasını sağlayabilir. Model sistemlerden elde edilen bubilgiler bitki biyolojisini anlamamızı ve böylelikle ürün gelişimiiçin genomik bilgiyi kullanma yeteneğimizi arttırabilir.

17.02.2015

11

Bu alanlardaki gelişmeler, daha az çalışılan bitki türlerinde yeralan ve tarımsal özellikleri oluşturan kantitatif özellik loci (QTL)haritalarının çıkartılmasına yardım eder. Ürün gelişimi için QTLbelirteçlerinin kullanımı, birbiri ile yakından ilgili yabani türlerinönemli özelliklerinin etkin ve hızlı kullanımını sağlayabilir.Geleneksel yetiştiricilik yoluyla tür içinde bir özelliğin yerelçeşitlere aktarımı, 5-6 generasyon sürmekte ve uygun özelliğesahip bitkilerin seçimi için çok sayıda projeninin ekilmesigerekmektedir.

Daha sonra gelişen hatların çiftçiler tarafından ekimi için belirlenmesindenönce, çok sayıda farklı yerleşim alanında denenmelidir. Bu işlem minimum7 ila 10 sene sürmektedir. Bununla beraber, genetik transformasyon genekspresyon seviyesi ve yeteneği değiştirilmiş transgenik bitkilerinüretiminde kullanılabilecek farklı türlerden gen alınımını sağlar. İlgilenilengenin transferi, hedef tür veya çeşide tek bir şekilde aktarılabilir ve kararlıgen ekspresyonuna sahip çeşit gelişimi için 5-6 sene yeterlidir. Bu şekildeüretilen hatlar çiftçilere ekim için verilebilir veya geleneksel bitkiyetiştiriciliğinde ve/veya markıra dayalı seleksiyon çalışmalarında vericibitki olarak kullanılabilir.

17.02.2015

12

Markıra dayalı seleksiyon çalışmalarında, seçkin hat ilgilenilen özelliği taşıyandiğer hat ile çaprazlanır. Oluşan F1 hibriti tekrar ebeveyn hat ile (kesinlikle seçkinebeveyn, BC1) çaprazlanır ve gen transferi markıra dayalı seleksiyon ile BC3-5’ekadar (ya da kantitatif özellik locisi veya ilgilenilen gen seçkin hatta geçenekadar) izlenir. Yabani çeşitlerin kültüre alınan çeşitler ile zor çaprazlandıklarıdurumda F1 hibriti embriyo kurtarma ve doku kültürü yoluyla üretilebilir ve projenigeleneksel geri çaprazlama yaklaşımında (fenotipik seleksiyon) olduğu gibi veyakültüre alınan çeşitin tekrar ebeveyn olarak kullanıldığı markıra dayalı seleksiyonyoluyla geliştirilir. F2’ den F6-8’e kadar olan projeniler geleneksel pedigreeyetiştiriciliğinde olduğu gibi geliştirilebilir ve uygun özellik kombinasyonuna sahipbitkiler geliştirilmiş çeşitler veya verici ebeveyn olarak geleneksel yetiştiriciliktekullanılabilir. F6-F8 projenileri eğer F2’lerden rastgele 250-300 bitki seçilmiş vebitkiler her generasyonda ve her hatta rastgele kendine döllenme ilegeliştirilmişse ilgilenilen özelliğin haritasının çıkartılması için rastgele melez hattıolarak da kullanılabilir. BC5’den elde edilen bitkiler, ilgilenilen özelliğin rolü veyakalıtımının çalışılması için izogenik hat olarak kullanılabilir.

Markıra dayalı seleksiyon 3-6 yıl gerektirmekte ve böylecegeliştirilen çeşide istenilen özelliğin aktarım hızınıhızlandırmakta ve sadece istenilen özelliği gösteren bitkilerolgunlaşana kadar korunması gerektiğinden projenilerin ürüntoplanana kadar geniş ölçekli ekimine gereksinimkalmamaktadır. Çok sayıda hibridizasyon (BCFn) ilgilenilenözelliğin elit hata başarılı aktarımını sağlamakta ancakpotansiyel ürün verimini ve üretim kalitesini etkileyecek diğeryabani özelliklerin aktarılmama başarısına göre 7-10 sene hattadaha uzun sürmektedir.

17.02.2015

13

2.1. DNA markır yardımı ile seleksiyon

Rekombinant DNA teknolojileri gen dizi ve işlevi hakkında bilgisağlamasının yanı sıra ekonomik olarak ilgili özelliklere iştirakeden genleri taşıyan özgün kromozomal bölgelerinbelirlenmesine izin verir. Genetik belirteçleri kullanarakdoğrudan olmayan seleksiyonun teorik avantajları, ilk defayaklaşık 80 yıl önce Sax tarafından rapor edilmiştir. Bununlabirlikte, DNA markır teknolojisinin gelişimine kadar modern bitkiyetiştiriciliği programlarının gereksinimlerini karşılayacak kadaryeterli sayıda genetik belirteç bulunmamaktaydı. Günümüzdebelli uygulamalarda kullanım için farklı avantajlara sahip çoksayıda DNA belirteçleri bulunmaktadır.

17.02.2015

14

İlgilenilen özellik için DNA markırlarının belirlenmesi genellikle ilgilenilenözelliğin kalıtsal farklılıklarına sahip iki genotip arasında yapılançaprazlamalar dayanmaktadır. Ürüne ve içerdiği özelliklere bağlı olarak,haritalanacak populasyon, bu çaprazlamanın projenisinin kendine bir kezveya çok kez (rekombinant kendine döllenmiş hatlar, RIL) döllenmesiyleoluşan bireylerden veya ebeveynlerden biri ile geri çaprazlanması ileoluşan (BC) veya duble haploidlerin (DH) oluşumu için doku kültürüneaktarılan bitkilerden türevlenir. RIL ve DH populasyonlarının önemli biravantajı her hattın homozigot olması ve bu nedenle kendine döllenmeyoluyla sonsuza kadar çoğaltılabilmesidir. Bu pek çok çevre ve mevsimkoşulları altında, populasyonun değerlendirilmesine ve daha doğrufenotipik varyasyonun tahminine olanak tanır. RIL ve DH populasyonları,aynı zamanda farklı disiplinlerden pek çok bilim insanının aynıpopulasyonda aynı özelliğin farklı yönlerini çalışmalarını da sağlar.

İlgilenilen özelliğe katkıda bulunan genomik bölgeler bir keztayin edildiğinde ve her lokustaki alleller tasarlandığında bunlaryüksek verime sahip yerel çeşitlere gereken çaprazlamalaryapılarak aktarılabilir. İstenen allel kombinasyonuna sahip döldaha sonra markıra dayalı seleksiyon kullanılarak daha ilerideğerlendirmeler için seçilir. Ticari ürünlerin yabani akrabalarıürün performansını, biyotik ve abiyotik stres etkenlerine direncigeliştirmek için gerekli önemli alleleri içermekte ve bu allellermarkıra dayalı seleksiyon yoluyla ürün yetiştirme programınaetkin olarak dahil edilebilir. DNA markır teknolojisi, ticari bitkiyetiştiriciliği programlarında 1990’ lardan beri kullanılmakta vetarımsal olarak istenilen çeşit ve hibritlere bu özelliklerin hızlı veetkin transferi için yararlı oldukları ispat edilmiştir. Çok sayıdatür için genetik haritaların gelişimi, aynı zamanda ürün evrimininve gen işleyişinin de daha iyi anlaşılmasına yol açacaktır.

17.02.2015

15

2.2. Gen dizilimi ve işleyişiGenler çeşitli yaklaşımlar kullanılarak keşfedilebilir ancak rutinolarak kullanılan yöntem eksprese edilen gen kütüphanelerinioluşturmak ve bunların dizilerini çıkartmaktır. Bu kütüphane tipikolarak, büyüme evresinde örnek alınan bitkinin belirli çevreselkoşullar altında yoğun olarak eksprese edilen binlerce cDNAdizilerini içermektedir. Bu cDNA’ ların dizileri çıkartıldığında bunlara

denir. A. thaliana, Medicagosativa, çeltik, mısır, sorgum ve soya fasulyesi gibi çeşitli modeltürler için genel veribankalarında çok sayıda bu markıra ait dizilerbulunmaktadır. Farklı bitkilerde elde edilen bu markır verilerininkarşılaştırılması, birbiri ile yakından alakalı veya uzak türlerarasındaki kodlama dizi çeşitliliğini ortaya çıkartabilir.

eksprese edilen dizi işaretleri (EST)

Farklı bir türde işlevi bilinen bir gen ile EST arasında yüksek seviyede bir dizibenzerliği bulunursa, ilgilenilen türdeki olası gen işleyişini anlamakmümkündür. Bununla birlikte, genin işlevinin anlaşılması yine de deneyseldoğrulama gerektirir. Belirli bir çevre koşulları altında veya büyüme evresindesadece küçük bir gen kısmı yoğun olarak eksprese edilir ve bu nedenleresmin tamamı ancak farklı çevre koşulları altında büyütülen ve farklıbüyüme evrelerinde örnekler alınan bitkilerinden cDNA kütüphanelerioluşturularak veya tüm cDNA genom kütüphanesinin dizisi çıkartılarak eldeedilebilir.

17.02.2015

16

Organizmanın tamamının gen işleyişinin anlaşılması içinişlevsel genomiks teknolojisi günümüzde insersiyon mutantizolasyonu, gen çipleri veya mikroarrayleri ve proteomiksgibi yüksek iş çıkarma yöntemlerine odaklanmıştır. Sonuçolarak, belirlenen genler transgenik bitkilerde ekspreseedilir.

2.3. Metabolik yolakların analizi:Farklı uygulamalar ile uyarılan özgün bir bitki işlevindekideğişikliklerin bilinmesi, metabolik yolaklarda veya ilgili fizyolojilerdebulunan genlerin izolasyonu için yöntemlerin geliştirilmesinisağlamıştır. İşaretli mutant populasyonların varlığı ile metabolizmabilgisine dayanan seçkin görüntüleme sistemlerinin kullanımı anabasamaklarda görev alan genlerin izolasyonu için görece kolayyaklaşımlar sağlar. Flavonoidler gibi çoğu ikincil metabolitler konakçıbitkinin biyotik stres etkenlerine direncini de içeren bitki fizyolojisininçeşitli işlevlerini kapsamaktadır. Flavonoid biyosentetik yolağın çoğubileşenleri (flavanonlar, flavonlar, flavanollar ve izoflavonoidler)biyotik ve abiyotik strese cevap olarak yığılırlar.

17.02.2015

17

Genetik mühendisliği konakçı bitkinin böcek ve hastalıklaraolan direncinde önemli bir rol oynayan çeşitli flavonoidlerinmiktarının arttırılması için metabolik yolaklarındeğiştirilmesinde kullanılabilir. Transgenik bitkilerdefitoaleksinlerin ekspresyonu biyosentezlerinin içerdiğikarmaşıklar nedeniyle zor olabilir. Fitoaleksin biyosentezini deiçeren savunma genlerinin aktivasyonu altında yatan molekülermekanizmalar pek çok bitki türü için oldukça benzerdir.Biyoteknoloji ilaç olarak veya aromatik endüstrisinde kullanılanikincil metabolitlerin üretiminin arttırılması için büyük umutlarvaad etmektedir.

3. Genetik transformasyon:Genetik mühendisliği daha önce bitki yetiştiricilerininulaşması mümkün olmayan yararlı gen havuzlarınadoğrudan ulaşma olanağı sağlar. Günümüzde kullanılangenetik mühendislik teknikleri tek bir aktarımla istenençeşitli genlerin simultan kullanımına olanak tanıyarak,seçkin çeşitlere yeni gen veya özelliklerin aktarımını sağlar.Transgenik araştırmalara uygulanan öncelikler, gelenekselbitki yetiştiriciliğine benzerdir ve üretimi arttıracaközelliklerin değiştirilmesi, eklenmesi veya çıkartılmasınıamaçlar.

17.02.2015

18

Pek çok türde hızlı ve etkili transformasyon sistemlerinin geliştirilmesi çalışmalarısürmektedir. Etkin bir şekilde transgenik bitkilerin geliştirilmesi bitkiyetiştiriciliğinde biyoteknoloji kullanımını arttıracaktır. Son 10 yılda genetiktransformasyon ve gen ekspresyonunda elde edilen gelişmelerin sonucundaherbisit ve pestlere direnç anlamında ilerlemeler kaydedilmiştir.Bu teknolojinin potansiyeli ılıman bitki türlerinin yetiştirilmesinde özellikle şualanlarda 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 genlerikullanılarak geliştirilse de, çoğu çalışma böceğin beslenme gereksinimlerineyönelik, Bt genlerini içermeyen yöntemler geliştirilmesini içermektedir. Bugenler proteaz inhibitörleri, kitinazlar, ikincil bitki metabolitlerini ve lektinleriiçermektedir. Böceklere dirençliliğin sağlanması ile ilgili genler mısır, pamuk,patates, tütün, çeltik, brokoli, ceviz, elma ve soya fasulyesi gibi çeşitli bitkilereaktarılmıştır. Bir çok transgenik bitki tarla denemeleri veya çiftliklerdeüretilmeye başlanmıştır.

17.02.2015

19

Böceklere dirençli transgenik ilk bitki ABD’ de 1994 yılındayetiştirilmeye başlanmış ve geniş ölçekli üretime 1996 yılındabaşlanmıştır. O günden sonra ABD, Kanada, Avustralya,Arjantin ve Çin’ de transgenik bitki yetiştirme alanlarında hızlıartışlar görülmüştür. Dünyada 12’ den fazla ülkede transgenikbitkiler yetiştirilmektedir. Pamuk kurdu transgenik pamukgeliştirilmesi ile başarılı bir şekilde kontrol altına alınmıştır.Bt’den elde edilen cry tipindeki toksinler pamuk kurdu, mısırkurdu ve Avrupa mısır kurduna karşı etkilidir. Lepidopterlerekarşı Bt genlerinin başarılı ekspresyonu domates, patates,yerfıstığı ve nohutta sağlanmıştır.

Yarı-Kurak Tropikler için Uluslararası ürün AraştırmaEnstitüsünde (ICRISAT) bir çok aday gen, tropiklerde ki enönemli ürün pestleri olan Atherigona soccata, Chilopartellus, Spodoptera litura, Helicoverpa armigera’ ya karşıbiyolojik etkinlikleri değerlendirilmektedir. Çabalar buböceklere karşı direncin sağlanması için Bt, tripsininhibitörü ve lektin genlerinin sorgum ve nohuta aktarımıkonusunda devam etmektedir. Bt ve tripsin inhibitörgenlerini içeren transgenik sorgum bitkileri kontrollü serakoşullarında denenmektedir. Çalışmalar aynı zamandavirüs ve fungal patojenlere karşı dirence sahip yerfıstığıbitkilerinin geliştirilmesi içinde sürdürülmektedir.

17.02.2015

20

Transgenik bitkilerin yetiştirilmesi çevre korunmasıkonusunda önemli yararlar sağlayacaktır. Böcekleredirençli bitkilerin ekilmesi ile ABD’ de 1999 yılında birönceki seneye göre pestisit kullanımında 1 milyon kgazalma sağlanmıştır. Ringspot virüsüne karşı direncisağlayan transgenik papaya Hawaii’ de 1996’ dan beriyetiştirilmektedir. Geleneksel yaklaşımlar kullanılarakkontrolü zor olan çeltik sarı benek virüsü, transgenik çeltiküretimi yoluyla kontrol edilmekte ve ürünün tamamınınkaybedilme riskini ortadan kaldırmaktadır. Toplamdaherbisitlere dirençli soya fasulyesi, böceklere dirençlimısır ve genetik olarak iyileştirilmiş pamuk transgenikürün ekili alanların yaklaşık %85’ ini kapsamaktadır.

Böceklere direnç genlerini içeren transgenik bitkiler, hem gelişen hem degelişmekte olan ülkelerde pest ile başa çıkmakta önem kazanacaktır. Butip çabalar böcek ile ilgili kayıpları azaltmakta, ürün üretimininarttırılmasında ve fakir bölgelerde yaşam kalitesinin arttırılmasında önemlirol oynayacaktır. böceklerin kontrolü için böceklere dirençli transgenikbitkilerin geliştirilmesi;•böcek spreylerinin kullanımının azaltılması,•doğal düşmanlara karşı aktivitenin arttırılmasına yol açacaktır.

17.02.2015

21

3.2. Abiyotik streslere karşı direnç:Abiyotik streslere dayanabilen ürünlerin gelişimi, gelişmekte olan ülkelerde ürünüretimini sabitler ve yiyecek güvenliğinin sağlanmasına katkıda bulunur.Bakterilerde trehaloz, trehaloz fosfat ve trehaloz fosfatı trehaloza parçalayantrehaloz fosfat fosfatazı üreten trehaloz fosfat sentetaz ile üretilir. Bu iki enzimyani trehaloz fosfat sentetaz ve trehaloz fosfat fosfataz, transgenik bitkilerdeeksprese edildiklerinde bitkiler daha geniş yapraklara sahip olur, gövde gelişimideğişir ve stres koşullarına karşı daha iyi cevap oluşturur.

Çeşitli glutamat dehidrogenazların aşırı ekspresyonun da bitki büyümesini vestrese toleransı arttırdığı rapor edilmiştir. Yapılan bir çalışmada bitkiler,Chlorellasorokiniana alginin kloroplastında bulunan GDH’ nin α ve β altünitelerini kodlayan genler ile transforme edilmiştir. Benzer gelişme, geçembriyogenez (LEA) genleri ile transforme edilen çeltik bitkisinde degörülmüştür. Köklerinde daha fazla sitrik asit üretme yeteneğinde olanbitkiler, asitli topraklarda bulunan aluminyuma karşı daha dirençli olurlar.Avicennia marina’ dan izole edilen tuzluluğa direnç geni klonlanarak, diğerbitkilere aktarılabilir. Yine E. coli’ den gutD geni tuzluluğa direncin sağlanmasıiçin kullanılabilir. Bu gen tarıma elverişli olmayan alanlarda mahsül üretiminiarttırmak için önemli bir potansiyele sahiptir.

17.02.2015

22

3.3. Şeker ve nişasta metabolizması:Sukroz fosfat sentetaz, sukroz metabolizmasını düzenleyen anahtarenzimdir. Mısır SPS’ ni tütünden alınan promotor kontrolünde ekspreseeden transgenik bitkiler üretilmiştir. Trikarboksilik asit siklusunda bulunanmetabolitlerin NAD-malik enzim miktarını azaltma yoluyla sağlanan aktivitedeğişiklikleri de nişasta derişimini arttırmada kullanılabilinir.

E. coli’ nin inorganik prifosfatazının bitkilere aktarımı, şeker miktarınıdeğiştirme ve bitkinin şeker varlığını algılama kapasitesini ve sukrozbağlanma proteinlerini etkileyen heksokinazların modifikasyonu ile gelişenlegüm tohumlarında şeker yüklemesini etkilemiştir. Bu tip bir etki özelgereksinimleri karşılamak için gıdaların kimyasal bileşimini değiştirmeolanağını sunmaktadır.

3.4. Senesensin değiştirilmesi:Yaprak senesensi sitokinin üretiminin azalmasına bağlı olarak ortaya çıkanyaşlanma nedeniyle yaprak veya bitkinin ölümüne yol açar. Sitokinin senesensidoğal olarak engelleyen ve yapraklarda fotosentez aktivitesini koruyan bir bitkihormonudur. Yaprak senesensindeki azalma bitkinin performansını arttırır veböylece ürün verimini arttırır. Bu kısmen mısır, sorgum ve diğer tahıl ürünlerinde kiyeşil kalma özelliği ile sağlanabilir. Sorgumdaki yeşil kalma özelliği kuraklık stresineadaptasyon ile de ilgilidir. Famesil transferaz ve izopentil transferaz genlerininaktarımı senesensi geciktirir. Yaprak senesens işlemi sitokinin sentez enzimi olanizopentil transferazı kodlayan gen yoluyla bloke edilebilir. Geciktirilmiş senesensinticari yararları, bitkinin vegetatif büyümesinin, tohum ve meyva üretimininarttırılması, sebzelerin raf ömrünün uzatılması, kaba yonca gibi yem legümlerininnitrogen içeriğinin korunması, güvenli ve doğal sitokinin kaynağı sağlamasını sağlar.Senesens sırasında eksprese edilen diğer genler ile birleştirilmiş bir promotor dahada yararlı olabilir.

17.02.2015

23

3.5. Fotosentetik etkinlik ve arttırılmış verim:Ürün verimini radikal olarak arttıracak deneysel bir yaklaşım C4 tipfotosentezin Arabidopsis ve patates gibi C3 bitkilerine aktarımı yoluylabitki biyokimyasının bileşenlerini değiştirmektir.C3 fotosentezi ribulaz 1,5-bifosfat karboksilaz/oksigenazın (rubisco)oksigenaz reaksiyonu sırasındaki O2 inhibisyonundan ve bunu takibenfotorespirasyonda CO2 kaybından sorunludur. Bunun tersine, mısır gibiC4 bitkileri bu inhibisyonu aşacak biyokimyasal mekanizmalargeliştirmiştir. Bu mekanizmanın ana özelliği mezofil hücrelerininsitosollerinde atmosferik CO2’ i fiske eden enzim olan fosfoenolpruvatkarboksilazın (PEPC) aktivitesidir.

Agrobakterium’a dayalı bir transformasyon sistemi kullanılarak, mısırPEPC’ si C3 bitkilerine transfer edilmiştir. Fizyolojik olarak, fotosentezdebu bitkiler daha az O2 inhibisyonu ve transforme edilmeyen kontrol bitkileriile karşılaştırılabilir fotosentez hızı göstermişlerdir. C4 bitkisi olandikotiledon Flaveria bidentis’ te fotosentezin ana enzimleri olan rubisco,pruvat fosfat kinaz (PPDK) ve NADP malat dehidrogenazın (NADPMDH)düzenlenmesine yönelik araştırmalar rapor edilmiştir. Fotorespirasyonunazaltılması için kullanılabilinecek bir başka strateji tütünde katalazmiktarının düzenlenmesidir. Fotosentetik aktiviteyi kapsayan enzimlerinuygun manipulasyonları, C3 bitkilerinin üretim potansiyellerini arttırabilir.

17.02.2015

24

Arabidopsis’ te bitki uzunluğunu belirleyen genler yeşil devrimsırasında geleneksel bitki yetiştiriciliğinde tahıllarda kullanılancücelik genlerine benzerlik göstermektedir. Bu genler (NORIN 10)batı buğday çeşitlerine 1950’ li yıllarda bulunmuş ve günümüzde bugenler izole edilmiş ve genetik transformasyon yoluyla benzerfenotipler diğer ürünlerde oluşturulmuştur. Cüceliği sağlayan bugenler ürün arttırılması için çeşitli bitki türlerinde rutin olarakkullanılmaktadır.

Verim artışı geri dönüşümlü olarak triozfosfatı fruktoz-1,6-bifosfata dönüşümünü katalizleyen enzim olanfruktoz 1,6-bifosfat aldolazın (FDA) manipulasyonu ilede sağlanabilir. E. coli’ nin FDA’ sını kloroplasttaeksprese eden transgenik bitkilerin yaprakları belirginolarak arttırılmış nişasta depolaması, daha az sukrozderişimi ve daha fazla kök ağırlığı göstermiştir. Bitkiperformansını değiştirecek daha jenerik bir yöntem iseplastid sayısının değiştirilmesi olabilir. Klorofil a/b’ yebağlanan genlerin manipulasyonu ise klorofilmiktarının değiştirilmesinde kullanılabilinir.

17.02.2015

25

3.6. Besleyici etkenler:Çeşitli kalite özellikleri üretilecek mahsulün besleyiciözelliklerini arttırmak için kullanılabilir. Bunlarkarbohidratlar, proteinler, yağlar, vitaminler, demir veaminoasitleri içermektedir. Hedef özelliklerin seçimitüketici, üretici ve tarıma dayalı endüstrilerdenetkilenmektedir. Bu alandaki araştırmalar herbisit veböceklere tolerans gibi tek gen ile değiştirilmiş tohumkalitesi gibi tüketici doğrudan etkileyecek daha karmaşıközellikleri de içermektedir. Örneğin; vitamin A eksikliğiningiderilmesi için beta karoten üretim kapasitesine sahiptransgenik pirincin geliştirilmesi. Benzer olarak, insandiyetindeki demir alınımını kolaylaştıran demir bağlayanproteinin üretimini kapsayan genler kullanılarak, demirseviyesi arttırılmış transgenik çeltik üretilmiştir. Yinedeğiştirilmiş protein seviyeleri, yağ asidi içeriği, vitaminve aminoasit içeriği yiyeceklerin besin değerininarttırılmasında kullanılabilinir.

Günümüzde geleneksel hidrojenerasyon kullanımı olmadanişlenmeyi sağlayacak mono doymamış yağ asit içeriği (örneğinoleik asit) arttırılırken, linoleik asit gibi polidoymamış yağ asitiçeriği azaltılmakta ve böylece istenmeyen trans-yağ asitlerindenkaçınılmaktadır. Lizin, metionin, treonin ve triptofan gibi esasaminoasitlerin miktarı tahılların besleyici özelliklerini arttırmadakullanılabilir. Nişastanın amiloz amilopektin oranının değiştirilmesiiçin yine transgenik modifikasyonlar kullanılmaktadır. Rafinoz vestakiyoz gibi oligosakkaritlerin miktarının azaltılması, sindirimikolaylaştırır ve sindirim sırasındaki şişkinliği azaltır. Transgenikteknoloji besleyici olmayan etkenlerin uzaklaştırılmasında dakullanılabilinir.

17.02.2015

26

3.7. Farmasötikler ve aşılar:Çeşitli aşılar bitkilerde üretilebilir. Enfeksiyonel mide-barsakhastalıklarına karşı aşı, patates ve muzda üretilmiştir.Biyoteknoloji, insan patojenlerinden türevlenen bir geni içerenbitkilerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Yabancı DNAtarafından kodlanan bir antijen ürün bitki dokularında yığılır.Transgenik bitki tarafından üretilen antijen protein fareyeenjekte edildiğinde antikor oluşumunu sağlayacakimmunogenik özelliklerini saflaştırdıktan sonra da korur.Transgenik bitkiyi yiyen bir fare immün cevap oluşturur. Bu tipbir immün cevap, kolera toksin B için gösterilmiştir. Çeltik vebuğday’ da eksprese edilen anti-kanser antikorları buhastalığın teşhis ve tedavisinde yararlı olabilir. Yine transgenikteknoloji kullanılarak, bitkilerden türevlenen ilaçların (salisilikasit gibi) veriminin arttırılması sağlanabilir.

3.8.Erkek kısırlık (MS) ve apomiksisin (aseksüel üremenin) kullanılması:

Çeşitli bitki türlerinde genetik veya sitoplazmik erkek kısırlığı (GMS veyaCMS) canlı polen üretiminin baskılanmasına yol açar. Erkek kısırlığı çokçeşitli yüksek bitkilerde gözlenmiş ve çok düşük seviyelerde veyatamamen polen üretiminin yokluğu ile karakterize edilmektedir. MSfenotipi özellikle polen üreten organları, bu tip dokuların fazla enerjigereksinimi nedeniyle etkilemektedir. Bu özelliğin en iyi bilinen örneğimısırda görülen sitoplazmik erkek kısırlığıdır. CMS’ nin genel özelliği zartabakasındaki mitokondrinin işlev bozukluğudur. Kimerik bir proteintarafından üretilen mitokondriyel işlev bozukluğu organel işlevi ileetkileşim gösterir ve polen üretimini etkiler. Biyoteknolojik yaklaşımlar, türiçinde veya bir türden diğer türe CMS’ nin transferi için kullanılabilir.

17.02.2015

27

Aseksüel embriyoların gelişimi sonucunda oluşanapomiksis çok sayıda dişi ebeveyn ile genetik olarakaynı olan nuseller yavrular üretir. Apomiksise zorlamatohum çoğaltımı yoluyla bitkilerin klonlanmasına yol açarve gen manipulasyonu yoluyla bitki yetiştiriciliğinde etkinbir potansiyel oluşturur. Anaçların tohum ileçoğaltılmasında düzenliliği ve F1 hibridlerinin gerçekyetiştiriciliğini sağlar.

Apomiksisin genetik manipulasyonu kararlı ve üstün hibridlerinüretilme potansiyeline sahiptir. Portakalda bazı apomiktik çeşitlerüretilmiştir.Apomiksisin genetik mühendisliği, yüksek üretkenlikte ve daha iyikalitede ürün üretilmesi için gerekli olan genetik çeşitliliğinsağlanmasında kullanılabilir. Bu sistem portakal, sorgum, mısırve diğer bazı bitki türlerinde çalışılmaktadır. Bununla beraber,genetik uniformite teknolojinin düzgün kullanılmaması nedeniyletehlikeli de olabilir ve bu nedenle tek tek ele alınmalıdır.