Boğaziçi’nde başlayan araştırma tarımı sentetik azotlu gübrelerden kurtarmayı hedefliyor

Günümüzde tarım tamamen sentetik azotlu gübrelerle gerçekleştiriliyor ve azotlu gübreler kömür, petrol, doğalgaz gibi yenilenemeyen enerji kaynaklarıyla üretiliyor. Bu enerji kaynaklarının ise önümüzdeki 150 yıl içinde tükenecekleri tahmin ediliyor. Ayrıca azotlu gübrelerin toprağa ve su ekosistemine zarar verdikleri, sera etkisine (küresel ısınma) yol açtıkları biliniyor. Bazı bitkilerde kısıtlı şekilde gerçekleşen simbiyotik azot fiksasyonu ise azotlu gübrelere doğal alternatif olarak görülüyor. Boğaziçi Üniversitesi’nde başlayan ve TÜBİTAK 1001 programı kapsamında desteklenecek proje, doğal azot fiksasyonunun genetik mekanizmasını anlamak için yenilikçi bir araştırmaya imza atacak. Proje kapsamında Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü’nden Dr. Igor Kryvoruchko ve ekibi, baklagillerde simbiyotik azot fiksasyonuna dahil olan alternatif proteinlerin moleküler analizini gerçekleştirecek. Bu araştırmadan elde edilecek bilgilerle gelecekte tarımı sentetik azot gübrelerinden kurtarmak ve yeni azot fiksasyonlu hububatlar üretmek mümkün hale gelecek.
Kenan Özcan

Baklagillerde azot fiksasyonu, rhizobia adı verilen ve baklagillerin kök nodüllerinde yaşayan bakterilerle kurulan simbiyotik bir ilişki sonucunda meydana geliyor. Boğaziçi Üniversitesi’nde başlayan “Model Baklagil Medicago truncatula'sında Simbiyotik Azot Fiksasyonunda Yer Alan Alternatif Açık Okuma Pencerelerinin (AltORF) Fonksiyonel Analizi” başlıklı proje, baklagillerde gerçekleşen bu sürecin genetik alt yapısında rol oynayan alternatif proteinlere (altProts) odaklanacak. Azot fiksasyonunun moleküler dayanaklarını anlamak, gelecekte doğal yollarla kendi azotunu sağlayamayan bakla dışındaki hububatların yetiştirilebilmesine katkı sağlayacak.

"Uzun vadede hedefimiz bakla dışındaki bitkileri de kendi azotlarını sağlayacak şekilde dönüştürmek"

Kiev Taras Shevchenko Üniversitesi’nden mezun olan Dr. Igor Kryvoruchko, DAAD bursuyla Almanya’da yürüttüğü MSc projesinin ardından Max Planck Enstitüsü’nde moleküler bitki fizyolojisi alanında doktorasını tamamladı. Daha sonra Amerika’da baklagil biyolojisinde dünyanın önde gelen bir araştırma merkezi olan Samuel Roberts Noble Foundation’da çalıştı. Kafkas Üniversitesi’nde uluslararası bir araştırma merkezi kurma girişimi için geldiği Türkiye’de yedi senedir yaşayan Dr. Kryvoruchko, 2018 yılında Boğaziçi Üniversitesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü’ne öğretim üyesi olarak katıldı. Yıllardır baklagiller üzerine genetik araştırmalar yapan Dr. Kryvoruchko, baklagil simbiyotik azot fiksasyonunun moleküler dayanaklarını anlamanın önemini şu sözlerle açıklıyor: Bugün tarımda kullanılan sentetik azot gübrelerinin üretimleri kömür, petrol, doğalgaz, uranyum gibi enerji kaynaklarıyla gerçekleşiyor. Fakat bunların önümüzdeki 40-150 yıl içinde tükeneceği öngörülüyor. Simbiyotik azot fiksasyonu (SNF) yüksek maliyetli, insan sağlığına ve çevreye zararlı olan ve yenilenemeyen enerji kaynaklarından üretilen azotlu gübrelere doğal bir alternatiftir. Bu simbiyotik ilişkiyi bitkiler ve bakteriler arasında geçen bir ticaret ilişkisi şeklinde düşünebiliriz. Bu tip bir simbiyotik yaşam en çok Fabaceae (baklagiller) ailesinin taksonomik kara bitki grubunda gelişmiştir. Fabaceae ailesinde gerçekleşen SNF’un moleküler mekanizmasının temelinin anlaşılması önemlidir. Çünkü bu sayede böyle bir simbiyozu yapamayan buğday, pirinç, mısır gibi hububatları da doğal şekilde kendi azotlarını sağlayan bitkiler olarak dönüştürme yolları geliştirilebilir. Bu bitkiler de simbiyotik yaşam ile azot ihtiyaçlarını karşılarsa azotlu gübrelere ihtiyaç duyulmayacak, böylece hem gübre masraflarının azalmasına hem de gübre üretim sırasında çevre kirliliği önlenmiş olacaktır.”

Model canlı olarak Medicago truncatula kullanılacak

TÜBİTAK 1001 programı kapsamında desteklenecek projenin laboratuvar çalışmalarında model canlı olarak Medicago truncatula kullanılacak. Dr. Kryvoruchko model olarak neden Medicago’nun seçildiğine dair şu bilgileri veriyor: “Baklagiller bakterilerle birlikte azot bağlayabilme kapasitesini geliştiren tek bitki ailesi değil. Ancak baklagiller bu işlemi gerçekleştiren bitkiler arasında en fazla genetik çeşitliliğe sahip olanlar. Yine de soya fasulyesi, bezelye gibi bakla ailesinden gelen bitkilerin doğrudan genetik araştırmalarda kullanılması; büyük genom boyutu, büyük bitki boyutu, uzun jenerasyon süresi gibi çeşitli faktörlerden dolayı zor. Bu yüzden tüm baklagilleri temsil etmek adına model olarak üzerinde daha kolay çalışılabilen bir tür seçiliyor. Bugüne dek oluşturulmuş bakla modellerinin en çok bilinenleri arasında Lotus japonicus ve Medicago truncatula yer alıyor. Medicago ise bizim çalışmamız için azot fiksasyonunu kontrol eden mekanizmaları anlamamıza daha fazla yardımcı olacak.”

"Alternatif proteinlerin simbiyotik azot fiksasyonundaki görevlerini açığa çıkarmak için ilk kapsamlı çalışmayı başlatıyoruz"

Dr. Kryvoruchko, baklagillerde gerçekleşen simbiyotik azot fiksasyonunun genetik alt yapısında rol oynayan alternatif okuma pencerelerinin (altORF) listesini oluşturarak kapsamlı bir veri tabanı hazırlayacaklarını belirtiyor. Igor Kryvoruchko alternatif okuma pencerelerinin önemini şu sözlerle ifade ediyor: “Biz çalışmamızda bir mutasyon halinde hangi genlerin simbiyotik azot fiksasyonu üzerinde genetik değişime etki ettiklerini gözlemleyeceğiz. Bu yolla gen ve fenotipleri arasındaki bağlantıları oluşturacak ve spesifik genlerin görevi hakkında çıkarımda bulunabileceğiz. Fonksiyonel bağlantıların kurulmasının kesinliği aynı mutasyonun bir veya birden fazla proteini etkilemesine bağlı olarak değişiyor. İnsanlarda ve diğer canlılarda genlerin en az %25’inin birbiriyle genomik DNA’da örtüştüğü biliniyor. Ancak örtüşen genlere ek olarak bilinen genlerde “saklı” olan mini genler var. Bunlar alternatif açık okuma pencereleri (altORF) olarak kabul ediliyorlar ve bu saklı genlerin yerini tutan ürünler de alternatif protein olarak adlandırılıyorlar.

Bu projeyle alternatif proteinlerin simbiyotik nitrojen fiksasyonundaki görevlerini açığa çıkarmak için ilk kapsamlı araştırmayı başlatıyoruz. Bu zamana kadar bitkilerde önemli biyolojik rolleri olan en az 65 altORF, işlevsel olarak karakterize edildi. Bunların 25'inin kök nodülü simbiyozunda önemli görevleri olduğu biliniyor. Diğer taraftan birçok bulgu çok daha fazla altORF'nin fiksasyon sürecinde görevi olduğunu gösteriyor. Ayrıca bunların simbiyoz olayında türe özgü görevleri olduğu düşünülmekte. Bu mekanizmayı aydınlatmak, tarımın geleceği için önemli.”

"Elde ettiğimiz bilgilerle Türkiye’de nohut tarımını geliştirmek de mümkün olacak"

Dr. Kryvoruchko ve ekibi, gelecekteki moleküler biyoloji araştırmaları için baklagiller özelinde transkriptomatik ve proteomik verileri bir araya getiren bir veri tabanı hazırlayacak. TÜBİTAK 1001 programı kapsamında desteklenecek verileri bir araya getirme çalışması Umut Çakır, Taha Bumin Aydos ve Serhat Beyaz tarafından yürütülecek.

Dr. Kryvoruchko araştırmalarıyla birlikte uzun vadedeki hedeflerini şu cümlelerle açıklıyor: “Çalışmamız model organizma olan bakla ve bir bakla bitkisi arasında köprü kurmamıza yardımcı olacak. Çünkü biz alternatif okuma pencerelerinin evrimsel korumasını, transkripsiyon ve çevirisini iki bakla türü arasında karşılaştıracağız. Elde ettiğimiz bilgilerle ve Medicago’da alternatif okuma pencerelerinin fonksiyonlarının detaylı şekilde tanımlanmasının ardından, benzer çalışmayı nohut üzerinde gerçekleştirmek istiyoruz. Nohut, Türkiye ekonomisi için oldukça önemli ve bölgesel ihracat ürünleri arasında yer alıyor. Fakat Türkiye’de nohut tarımı yapılan arazilerde çinko eksikliği var ve simbiyotik azot fiksasyonunun bu çinko yetersizliği ile ilişkisini araştırmak istiyoruz. Umuyorum çabalarımız bu bölgedeki ekonomik istikrara katkı yapacak.”

Dr. Igor Kryvoruchko ile İngilizce röportaj: https://haberler.boun.edu.tr/en/news/understanding-molecular-basis-symbiotic-nitrogen-fixation-key-more-sustainable-agriculture