Buğdayın genomu neden bu kadar büyük?
İnsan genomundan beş kat daha fazla DNA'ya sahip
Levant'ta yaklaşık 10.000 yıl önce buğday ve diğer temel ürünlerin evcilleştirilmesi, yalnızca geçim seviyesinin üzerinde kalıcı yerleşimlere izin verdi; bu da medeniyetin başlangıcının olası tanımlarından biriydi. İlk çiftçiler buğdayın doğal olarak oluşan melezlerini yetiştirdiler ve zamanla bunları dayanıklı, hasadı kolay ve yüksek verimli bir türe dönüştürdüler; tarihi modern ekmek buğdayının genomunda ortaya çıkar. Bu son derece yoğun ve karmaşık bir genomdur. Ve pirinç, soya ve mısır gibi temel gıdaların genetik kodlarının aksine, bilim insanları 2017'ye kadar bunu çözmek için uğraştılar. Bunu çözmek neden bu kadar zordu ve buna değdi mi?Buğday kromozomu nedir?Kavılca buğdayı kaç kromozom?Buğdayın özellikleri nelerdir?Durum buğdayı genetiği değiştirilmiş midir?Ekmeklik buğday (Triticum aestivum), insanların tükettiği kalorilerin %20'sini oluşturan küresel olarak önemli "üç büyük" üründen biridir. Dünyadaki 7 milyar insanın %35'i hayatta kalmak için bu temel ürüne bağımlıdır. Şimdi Cold Spring Harbor Laboratuvarı'ndan (CSHL) bir grup da dahil olmak üzere uluslararası bir bilim insanları ekibi, tam genomunun ilk kapsamlı analizini tamamladı.
Çalışma, ekmek buğdayının atalarından günümüze evcilleştirilmiş formuna kadar evrimini ortaya koyuyor. Bitkinin genomunun karmaşıklığı nedeniyle analiz teknik olarak zorlayıcı oldu. Ancak potansiyel getirisi büyük: buğday mahsullerini yetiştirmek ve iyileştirmek için yeni stratejiler geliştirmek.
Karmaşık bir teknik zorluk
Ekmek buğdayı genomunun devasa boyutunu bağlamına oturtmak için, eşleştirilmiş dna bazlarının veya nükleotitlerinin bileşen sayısı toplam 17.000.000.000 baz çiftidir (17 Gb). Bu, insan genomundaki DNA miktarının yaklaşık beş katıdır. Ancak, ekmek buğdayı genomunun %80 kadarı tekrarlayan dizilerden oluşur. Genomların genellikle dizilenme şekli nedeniyle - tam bir genomun yüz milyonlarca veya milyarlarca küçük kesirinin bir araya getirilmesiyle - ekmek buğdayı genomunun boyutu, belirli bir dizi okumasının genomun hangi kısmından geldiğini ve benzersiz mi yoksa tekrarlanan bir dizi mi olduğunu belirlemeyi çok zorlaştırır.
Ekmek buğdayı genomu hekzaploid bir genom olarak sınıflandırılır. Bu, yedi kromozomunun her birinin altı kopyasına sahip olduğu anlamına gelir; tam set 42 kromozomdan oluşur. Buna karşılık, insan genomu diploiddir, 23 çift kromozom ve toplam 46 kromozom vardır.
Profesör W. Richard McCombie'nin CSHL laboratuvarı , ABD ve Büyük Britanya'daki çeşitli kurumların yanı sıra Almanya'daki bir kurumu da kapsayan, bu büyük ve karmaşık genomun dizilenmesinin ortaya çıkardığı teknik zorluğun üstesinden gelmekle görevli, son derece işbirlikçi bir uluslararası çabanın parçasıydı.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, DNA'nın rastgele çok sayıda küçük parçaya bölündüğü ve üst üste binen uçların belirlenmesiyle daha uzun dizi okumalarına birleştirildiği "yeni nesil" dizileme tekniklerini kullandılar. Ekmek buğdayı için üretilen dizi "okumaları" daha sonra pirinç ve arpa da dahil olmak üzere çeşitli otların bilinen dizileriyle karşılaştırıldı.
McCombie, yaklaşımı hakkında, "Teknolojiye meydan okumak için neredeyse en kötü senaryo olan büyük ve karmaşık genomlarda yeni nesil dizilemeyi kullanıp kullanamayacağımızı bilmek istedik" dedi ve "Bunu tarımsal açıdan önemli bir ürün kullanarak yapmak istedik."
Buğdayın diploid atalarının dizilenmesi, bir kısmı McCombie laboratuvarında yapıldı, ekibin hangi dizilerin gen kopyaları ve hangilerinin tekrarlar olduğunu hesaplamalı olarak ayırmasını sağladı. Bu veriler daha sonra hekzaploid ata genomunun ve onunla diploid ata arasındaki zamansal ilişkinin daha iyi anlaşılması için kullanıldı.
Ekmeklik buğday tarımının antik kökenleri, evrimi ve geleceği
Başlangıçta yerleşik toplumlar arasında tarımın yayılması sırasında oluşan ekmeklik buğday, yaklaşık 8.000 yıl önce ekili buğday (T. dicoccoides) ile keçi otu (Aegilops tauschii) arasındaki melezleşmeden ortaya çıkmıştır. Dizileme projesinin amaçlarından biri, ekmeklik buğdayın evcilleştirildiği zamandan bu yana nasıl evrimleştiğini genomun mevcut özelliklerinden öğrenmekti.
Araştırmacılar bu çabada 94.000 ila 96.000 gen tespit ettiler. Ayrıca, çiftçilerin yüzyıllardır kullandığı çaprazlama işlemi sırasında parçalanmış atalardan kalma genler olan bol miktarda gen parçasına da dikkat çektiler.
Ayrıca, 132.000 SNP'den (tek nükleotid polimorfizmleri veya "kesikler") oluşan bir katalog oluşturmayı başardılar; bunlar, DNA'nın tek bir biriminin veya "harfinin" yakından ilişkili bitkilerin diziliminden farklılık gösterdiği tüm genom boyunca konumlardır.
Bu ve ilgili araştırmalar, ekmek buğdayı genomunun evcilleştirildiği dönemde gen ailesi üyelerinin kaybı da dahil olmak üzere hızlı ve önemli değişikliklere uğradığını ortaya koyuyor. Ekmek buğdayının iki kromozom setinden bu sayının katlarına geçtiği zaman budur - en sonunda bugün görülen 6 set. Bu kromozomal çoğalma arzu edilir olarak kabul edilir, çünkü bunlar için seçim yapmak, melez ürünler yetiştirirken oluşan kısırlığı aşmanın bir yoludur.
Araştırmacılar ayrıca ekmek buğdayı genomunda birçok genişletilmiş gen ailesi buldular. Bunların çoğu ürün verimliliğiyle ilişkilidir ve savunma, besin içeriği, enerji hasadı, metabolizma ve büyümeyle ilgili olanları içerir.
Mevcut yetiştirme uygulamaları ve bilgi, verim artışlarının yavaşladığı noktaya kadar kullanıldı. Bu çalışmadaki dizileme ve analiz, bu ürünün artık iyileştirilebileceği bir çerçeve sağlıyor.
McCombie, projenin teknik ve biyolojik etkisini özetleyerek, "Biz ve işbirlikçilerimiz buğday genomuna ilişkin bilgimizin çözümünü geliştirmek için çalışmaya devam ederken, bu sonuçların ıslah çabaları ve buğday genomları ile yabani akrabalarının genomları üzerine yapılacak ileri araştırma çalışmaları üzerinde önemli bir etkiye sahip olması gerekiyor" dedi.
