Bitki Biyoteknolojisi Bitki Teknolojilerinde Geliimin Tarihesi M 2
Bitki Biyoteknolojisi
Bitki Teknolojilerinde Gelişimin Tarihçesi MÖ 2, 000 19. yy Erken 20. yy Orta 20. yy 1930 lar 1950 ler 1970 ler 1980 ler 1990 lar 2000 ler Kültivasyon Seçilimli Çapraz Döllenme Hücre Kültürü Mutajenez ve Seçilim Somaklonal Çeşitlilik Poliembriyojenez Anter Kültürü Rekombinant DNA Markör-yardımlı Seçilim Genomiks Biyoenformatiks GDO Tartışmaları
Genetik Değişikliğe Uğratılmış Organizmalar (GDOlar) nelerdir? • GDOlar kendi türünden ya da kendi türü dışındaki bir canlıdan gen aktarılarak bazı özellikleri değiştirilen bitki, hayvan ya da mikroorganizmalardır. + Antartika Balık DNAsı = Çilek Don’a dayanıklı bir çilek
GDOlar Nasıl Yapılır? 1. – Bir bitki doku kültürü ve rejenerasyonu sistemi kurmanız gerekecektir. 2. – Hedeflediğiniz amaca hizmet edecek gen’i bulup bu bitkide çalışacak hale getirmeniz gerekecektir. 3. – Bitki hücre yada dokularına bu geni transfer etmeniz gerekecektir. 4. – İçine gen girmiş hücreden “tam-bitki” büyütmek için 1. aşamayı kullanmanız gerekecektir.
Bitki Doku Kültürü: Bitki Rejenerasyon Sistemi Sitokininler Bitki Hücreleri Hücre Çoğaltımı: Kallus Rejenerasyon Başlıyor Steril ortamdan çıkış ve tarla hazırlığı Koşullandırma Oksinler
Bitkilere Gen Transferi • Çıplak DNA, bitki hücresine transfer edilir. • Transfer edilen genin ifadesi hemen kontrol edilebilir (Geçici Gen İfadesi) yada kalıcı olarak genetik değişikliğe uğrayan hücreler seçilir ve bunlardan tam-bitkiler (Transgenik Bitkiler ) elde edilir. • DNA Transfer Metotları: 1. Kimyasal 2. Microenjeksiyon 3. Elektroporasyon 4. Partikül Bombardımanı (Biyolistik) 5. Agrobacterium tumefaciens
Kimyasal DNA Transferi • Genellikle hücre duvarı soyulmuş bitki hücrelerine (protoplast) uygulanır. • Birçok protokol mevcut: 1. DNA’yı ve protoplastları bir araya getirin. 2. Ortama yüksek polikatyon içeren bir madde ekleyin (PEG ve Ca. Cl 2). 3. DNA endositoz yoluyla hücreye girecek ve çekirdekteki kromozoma yerleşecektir.
Yeni döllenmiş bir yumurtaya DNA transferi : Microenjeksiyon iğne ~ 1 -2 pikolitre volüm enjekte edilir. Hayvanların yaklaşık %540’ı transgeni içerir.
Elektroporasyon • Genellikle hücre duvarı soyulmuş bitki hücrelerine (protoplast) uygulanır. • Protoplastlar ve DNA bir araya getirilir. Yüksek voltaj uygulanır. Bu voltaj membranda geçici delikler oluşturur DNA bu deliklerden içeri girer.
Agrobacterium tumefaciens Yöntemi Ti plazmidi: • Tümör-oluşturan plazmid • Agrobacterium tumefaciens bakterisinden • Çift çenekli bitkilerde taç uru hastalığı yapar
A. tumefaciens taç uru küçük bir şey değildir
Doğal Enfeksiyon Süreci Çok Karmaşıktır
Ti plazmitleri Transgenik Bitki Elde Etmek İçin Bir Vektör Olarak Kullanılabilir
Partikül Bombardımanı (Biyolistik) • Diğer tüm yöntemlerden daha geniş uygulama alanı • Organel transformasyonu yapılabilmekte • Yöntem : 1. DNA altın yada tungsten partikülleri üzerine çöktürülür. 2. Bu partiküller hücre yada dokuların içine girecek şekilde hızlandırılır. 3. Diğer yöntemlerde olduğu gibi seçilme yolu ile tüm-bitkiler elde edilir.
Orjinal Biyolistik tabancası, . 22 kalibre J. Sanford and T. Klein, Cornell
Helyum Gaz Tabancası : Bio. Rad PDSHe 1000
Seyyar Gaz Tabancası : Bio. Rad Amaç: Laboratuvar dışında da gen transferi çalışmaları yapabilmek. Örneğin Pfizer tarafından 2006 yılında Kuş gribi aşılamasında kullanılmıştır.
AMAÇ Kullanılan Genler Abiyotik Stres Toleransı gpat, sod, Mt. ID, sod Tuz Toleransı bet. A, p 5 cs, hval, cod. A, afp, imt 1 Tohum depo proteinleri Phaseolin, phytohemagglutinin, conglycinin, patatin, zein glutenin Gıda Kalitesi psy, crtl, Icy Erkek Döl-verim Yenilemesi Ribonuclease (barnase)*, Ribonuclease inhibitor (barstar) * Fotosentez Chlorophyll a-b binding protein, rubisco ss Nodülasyon Lectin, leghemoglobin Transpozonlar Ac, Ds, Tam, En-l Fungal Direnç Chitinase, ribosome inactivation protein (RIP) Virüs Koruması Coat protein genes*, antisense-coat protein*, satelit RNA * Böcek Direnci Bt toxin*; cryl. A(a), cryl. A(b), cryl. A(c), cryl. C, crylll. A, proteinase inhibitor (Cp. Ti), corn cysatin (CC), rice cystatin Nematot Direnci 1 (OCI) a’ ai, gna, chicken avidin gene* Bakteriyal Direnç Mi, Hs 1 Attasin*, HEWL*, T 4 L* Renk Değişimi ß-glucuronidase*, luciferase*, ß -galactosidase * Opin Sentezi Octopine synthase*, nopaline synthase* Kimyasal Direnç [neo, npt. II, (aph. A 2), npt. I (aph. A 1), aa. C 3, aa. C 4, 6_gat, aad. A, SPT, hph (aph. IV), Ble, sul. I, sat 3, cat]* DOG, BADH*, DHPS, ocs, TDC*, DHFR Herbisit Toleransı Pigmentasyon Pro-Vitamin A Pat*, bar*, EPSP synthase. A*, cp 4 epspsgox*, csr 1 -1, csr 1 -2, bnx* , hem. L*, Cah*, tfda* Dihydrocuercetin reductase, chalcone synthase psy (phytoene synthase), crt* Diğerleri Polygalactrunase, heat-shock proteins (HSP), tubilin, ATP synthase, isopenthenyl transferase, metallotionein, pathogenesis-related proteins (PR), phythochrome
EN GENİŞ İKİ TİCARİ GDO UYGULAMASI
Böceğe Dirençli Bitkiler • Bacillus thuringiensis (Bt) bakterisinden elde edilen delta-endotoxin epitopları kullanılır. • Birtakım böceklere dirençlidirler • Avantaj: Verim kayıpları azalır, daha az tarım ilacı kullanılır • Mısır, Pamuk, Patates
Böcek Direnci GD Bitki GD Olmayan Bitki Avrupa Mısır deleni
Herbisite Toleranslı Bitkiler • “Round-up” (Glyphosate) herbisitine toleranslıdırlar • Bakteriyal EPSP sentaz geni içerirler • Avantaj: Ucuz ve pratik yabani ot mücadelesi • Soya, Mısır, Pamuk
Herbisit Direnci GD olmayan GD Bitkiler
1996 -2010 yılları arası dünyada GD Bitkiler tarımının Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2010: Genel yüzölçümü (Milyon Hektar) Industrial and Developing Countries (M Has, M Acres) ISAAA M Acres 395 160 346 140 296 120 247 100 198 80 148 60 99 40 49 20 0 0 Toplam Endüstriyel Gelişmekte olan 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Kaynak: Clive James, 2010
1996 -2010 yılları arası dünyada GD Bitkiler tarımının Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2010: Ürüne göre yüzölçümü (Milyon Hektar) By Crop (Million Hectares, Million Acres) ISAAA M Acres 198 80 173 70 148 60 124 50 99 40 74 30 49 20 25 10 0 0 Soya Mısır Pamuk Kanola 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Kaynak: Clive James, 2010
1996 -2010 yılları arası dünyada GD Bitkiler tarımının Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2010: Karaktere göre yüzölçümü (Milyon Hektar) By Trait (Million Hectares, Million Acres) ISAAA M Acres 100 222 90 Herbisit Toleransı 198 80 Böcek Dirençli (Bt) 173 70 Her ikisi Kombine 148 60 124 50 99 40 74 30 49 20 25 10 0 0 1996 1997 1998 Kaynak: Clive James, 2010 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
2010 Yılı için GD Bitki Üreten Ülkeler ve Mega-Ülkeler* *14 *17 mega ülke 50, 000 hektar ve üzeri GD Bitki üretenlerdir Kaynak: Cive James: 2010
GD Bitkilerin Biyoteknolojik Değeri • 2010 yılı itibariyle GD Bitkilerinin Toplam piyasa değeri : 11, 2 Milyar ABD Doları: Bu da toplam ziraat getirisi olan 51, 8 Milyar ABD dolarının yaklaşık %22’si. Bu değer ABD için %33. • 2011 yılı için bu değerin 12 Milyar ABD Doları olacağı tahmin edilmektedir.
GDOlar Hakkındaki Endişeler
Çevre Konusunda Endişeler Yakın akrabalara polen (gen) kaçışı. • • Monokültür ve bunun olası yan etkileri. • Hasat sonrası doğada kalan kalıntılar.
Gıda Güvenliği ve Sağlık Konusunda Endişeler Allerjenlik, Toksisite Markör genlerin olası yatay transferi Genetik değişimler (kanser? )
Sosyal ve Ekonomik Endişeler Gelişmekte olan ülkelerdeki tarım ve çiftçiler üzerindeki etkisi Tarımda patent konusu Dev şirketlerin tekel oluşturması ve bunun dünya tarımı üzerindeki etkisi Gelişmekte olan ülkelerdeki olası gen yağmalanması
Etik ve Din Konusundaki Endişeler Tüketicinin Bilgilendirilmesi (Etiketleme) Hayvan genlerinin bitkilerde kullanılması ? (vejeteryanlar) Dini Endişeler. Kanunlar Konusundaki Endişeler Halihazırda bulunan yasalar araştırmacıları ve çiftçileri ne kadar koruyor? Bu yasalar ülkelerin çıkarlarını ne kadar koruyor?
FAYDALI GDO UYGULAMALARI
Fonksiyonal Gıdalar: Altın Bitkiler Altın Pirinç Altın Şeker Patates Altın Karnabahar
Fonksiyonal Gıdalar: Amaç Kaynak Hedef Kolestrolü azaltmak Ekmek mayası Kolza ve Soya 3 -hidroksisteroid oksidaz Vankatramesh ve arkd. 2003 Yüksek Antioksidan Pirinç Antosiyanidin sentaz geni Reddy ve arkd. 2007 Yüksek Temel Yağ Asidi PUFAs-Omega-3 Yosun Arabidopsis Elongaz/Desatür thaliana az Qi ve arkd. 2002 Düşük Linolenik Asit Soya Gm. FAD 3 RNAi yoluyla Soya Flores ve arkd. 2008 Yüksek Lisin ve Triptofan Mısır 19 -22 KD α-zein RNAi Mısır Huang ve arkd. 2006 Pirinç Ref.
RNAi Uygulamaları Amaç Kaynak Hedef Ref. Patates Virüs-Y rez. Viral proteinaz geni RNAsı Patates Kusaba 2004 Erkek kısırlığı Tütün TA 29 geni RNAsı Tütün Mao 2007 Dekafeine Kahve theobromine Kahve synthase (Ca. MXMT 1) Ogita ve arkd. 2003 Düşük nikotin tütün Tütün ornithine decarboxylase (ODC) De. Boer ve arkd. 2011 Tütün
Raf Ömrünün Uzatılması KESİMDEN 8 GÜN SONRA GD Olmayan Bitki KESİMDEN 24 GÜN SONRA GD Bitki
Biyomolekül Üretimi Canlı Biyoreaktörler Ürün Uygulama Bitki Menşei Gastrik Lipaz Kistik Fibroz Mısır FRANSA İnsan Glukoserebrosidaz (pr. GCD) Gaucher Hastalığı Bitki Doku Kültürü İSRAİL İnsülin Diyabet Yalancı Safran KANADA Lactoferon Hepatit C Su Mercimeği ABD İnsan Lizozimi Sağlık-Gıda Katkısı Pirinç ABD Non-narkotik Retikülin Sağlık-Kozmetik Haşhaş AVUSTRALYA Polyhidroksibütirat PHP Çevre-Bioplastik Dallı Darı ABD
GD Bitkilerde Aşı Üretimi : Yenilebilir Aşılar
Hastalık Antijen Bitki/Doku Yıl Kolera Toxin. B subunit CTB Tütün / Yaprak 1996 Kolera CTB Patates/ Tüber 1998 Kolera. Gastroenterit CTB-Rotavirüsenterotoxin protein NSP 4 Patates/ Tüber 2001 İshal Heat-labile toxin B subunit LTB Patates/ Tüber 2001 İshal Norwalk Virüs Kapsid Proteini Patates/ Tüber 1996 Hepatit B yüzey antijeni HBs. Ag Patates/ Tüber 2001 Viral İshal Rotavirüs Kapsid proteini Patates/ Tüber 2003 Serviks Kanseri Human Papilloma Virus Kapsid Proteini Tütün/ Yaprak 2007 Difteri, Pertusis, Tetanus Difteri ve Pertusis epitopları ve kolera exotoksini Domates/Meyva 2007 Kuduz virüsü nükleoproteini (RNP) Domates/ Meyva 2008 Kabakulak Paramyxovirüs (MV-H hemagglutin) Havuç/ Kök 2003 AIDS HIV-1’in Tat proteini Domates/ Meyva 2007 Alzheimer İnsan β-Amyloid (Aβ) Patates/ Tüber 2003 Artritis Tip II kolojen peptit Pirinç/ Tohum 2008 Solunum Yolu Hastalığı Respiratuvar Syncytial Virüs (RSV) F proteini Domates/ Meyva 2000
VETERİNERLİK ŞAP AŞISI İÇEREN YEMLER
GD BİTKİLERİ YEMEK DIŞINDA DA KULLANIYORUZ Biyoremediasyon: Çevre Temizliği Askeri Uygulamalar
Biyoremediasyon: Çevre Temizliği Kirletici Kaynak Hedef Ref. Kadmiyum, Çinko, Kurşun , Nikel ve Boron Fitoçelatin Ta. PCS 1 Geni Çalı tütünü (N. glauca) bitkisi Martinez ve arkd. 2006 Selenyum Astragalus bisulcatus SMTA geni Arabidopsis thaliana Cherian&Oliveira 2005 Cıva Bakteriyal mer. A ve mer. B genleri Arabidopsis thaliana, tütün, kavak ve hint hardalı Gratao ve arkd. 2005; Cherian&Oliveira 2005; Bizily ve arkd. 2000 Arsenik Bakteriyal ars. C ve γ – Arabidopsis thaliana ECS genleri Cherian&Oliveira 2005 Vinil Klorür Memeli P 450 sitokrom Kavak geni Doty ve arkd. 2007 RDX Patlayıcı Bakteriyal NADPHbağımlı nitoreduktaz Rylott ve arkd. 2006 Tütün
Askeri Uygulamalar Sızıntı Danimarka Aresa Şirketi araştırmacıları Arabidopsis thaliana bitkisine bir gen aktarılarak mayın yakınında gelişmesi durumunda NO 2 ye karşı hassasiyet göstermeleri ve kırmızıya dönüşmesini sağlanmış oldu.
YEŞİL ENERJİ : BİYO-YAKITLAR Biyo-etanol Selüloz yada nişastanın fermentasyonu Biyo-dizel Yağ bitkileri: Kolza, palmiye yada soya
YEŞİL ENERJİ : BİYO-YAKITLAR-2004 Ülke Biyo-etanol (Milyar Litre) Biyo-dizel (Milyar Litre) Brezilya Şeker Kamışı (15) - ABD Mısır (13) Soya (0, 1) Çin Süpürge Darısı (2) - Almanya Şeker Pancarı (0, 02) Kolza, Ayçiçeği (1, 1) Fransa Şeker Pancarı (0, 1) Kolza, Ayçiçeği (0, 4) İtalya - Kolza, Ayçiçeği (0, 35) Kanada Tahıllar (0, 2) - Tayland Manyok : cassava (0, 2) - İspanya Şeker Pancarı (0, 2) - Danimarka - Kolza, Ayçiçeği (0, 08) Çek Cumhuriyeti - Kolza, Ayçiçeği (0, 07) Avustralya Tahıllar, Şeker Kamışı (0, 07) - DÜNYA TOPLAMI 31 2, 2 Kaynak : Clive James 2010 , Pocket K No. 24
Bitki Biyoteknolojisinin Diğer Uygulamaları Omiks Bilimleri v. Genomiks : v. Proteomiks v. Metabolomiks Fonksiyonel Genomiks Karşılaştırmalı Genomiks Yapısal Genomiks
Bitki Biyoteknolojisinin Diğer Uygulamaları Bitki Biyoteknolojisine Yönelik BİYOENFORMATİKS Yaklaşık 2200 genom projesinden 405 adedi tamamlanmış ve yayınlanmıştır. Internet kanalı ile ulaşılabilecek arama siteleri ve veri-bankaları bulunmaktadır. Arama : NCBI (The National Center for Biotechnology Information) sisteminde BLAST isimli bir arama motoru mevcuttur. Araştırma : ENTREZ, NCBI tarafından kullanılan veri alım sistemidir, Ekleme : Bilim insanlarını NCBI sistemine verilerini eklemeleri için kullanılabilecek leri “Bank It” gibi araçlar vardır. Bilgi Madenciliği: NCBI’da “Spidey” gibi bilgi karşılaştırma ve hizalama (align) araçları mevcuttur.
Tarımda Nanoteknoloji Nanokapsüller : “Magic bullets”; herbisit-gübre-insektisit-hormon transferi Mesoporous silica nanopartiküller: Gen transferi Nano-engineered enzimler: Selüloz-Etanol çevrimi
- Slides: 50
