Tarımı Başlatan Gen!

Tarımın başlangıcının coğrafya ve iklim gibi pek çok etkeni var. Bunların arasında doğası insan eliyle seçilerek değişime uğramış bitkilerin genetiği belki de en önemlilerinden.
Cuma, 20 Eylül 2013 14:03

Tarımın başlangıcına ilişkin tüm dünyadan toplanan arkeolojik veriler, genetik bulgular ile birleştikçe ortaya çok çarpıcı bir tarihsel değişim süreci çıkmaya başladı.

Neolitik dönem, tarımın başlamasıyla insan topluluklarının yerleşik düzene geçtiği tarihsel önemi çok yüksek bir zaman dilimi. Yurdumuz Çatalhöyük gibi insanlık tarihinin en erken ve önemli yerleşimlerine ev sahipliği yapmakta ve tarım toplumlarının geçirdiği evreler üzerine çok zengin arkeolojik bilgiler sunmakta.

Arkeologlar yerleşik düzene geçmiş toplulukların yaşadıkları yerlerde biriktirdiği bitkilerin kalıntılarını incelediklerinde evcilleşmenin imzasını taşıyan özelliklerde çok yavaş bir artış olduğunu belirtmekteydiler. Bu özelliklerden en temel olanı, orak kullanılarak hasat edilen bitkilerde görülür. Evcilleştirilmiş bitkilerin büyük çoğunluğunda tohumun ana bitkinin gövdesinden ayrılmasını sağlayan bilet koçanlarındaki tırtıklar gibi yırtılmayı kolaylaştıran bölge yok olmuştur. Bu bölge sayesinde olgunlaşan tohumlar kolayca dökülür. Bitkinin doğasına çok aykırı olan bu özellik, yapay seçilim ile ancak insan eliyle yaşatılırsa var olabilir. Yabani bir bitkinin, türünün sürekliliğini sağlaması tohumlarını olabildiğince geniş alanlara etkili biçimde yayabilmesini gerektirir. Tohumlarını yayamayan bir bitki yaşam kavgasında yenik düşecektir. Örneğin evcilleştirilmiş buğday bitkisinde ayrım bölgesi kaybolduğu için tohumlar ancak harmanda dövülerek ana bitkiden ayrılır. Yakından bakılırsa bu ayrım bölgesindeki sapın zorlanarak kırıldığı yer açıkça görülür (Resim 1).

bugdaytohumayrimbolgesi.png
Resim 1 (a) Yabani buğday tohumlarını kolayca döker. (b) Bitkiden ayrılmış bir buğday tanesi. (c) Tanenin başaktan ayrım bölgesi. (d) İnsan tarafından yapay seçilim ile tarıma alınan buğdayın taneleri başaktan ancak kuvvet kullanılarak ayrılır. (e) Tohumun bitkiden ayrım bölgesi kaybolmuştur.

Tarımın gelişimi kuşaklar boyu süren uzun bir süreçti

Çatalhöyük’te en çok rastlanan arkeolojik tohum örneklerinden biri bilimsel adı “Medusa başlı ot” anlamına gelen (Taeniatherum caput-medusae) adlı bitkiden gelir. Tüm beklentilerin aksine, neolitik dönem yerleşkesinde bulunmasına karşın bu bitki tarımın en yaygın başlangıç özelliğini taşımaz. Tohumlar yakından incelendiğinde bitkiden ayrım bölgesi (r) çok belirgin biçimde gözlemlenebilir ve karşılaştırıldığında günümüzdeki yabani örneklerle tıpatıp aynıdır (Resim 2). Çok değil, daha 10 yıl önce tarımın kökeni üzerine yazılanlara baktığımızda “tarım devrimi” gibisinden iddialı deyimlere denk geliriz. Eğer bir devrim olmuş idiyse bu binlerce yıla yayılmış kuşaklar boyu süren bir devrim olmalı.

habersol-taeniatherum_caput-medusae.png
Resim 2 (Solda) Anadolu’da doğal olarak yetişen Medusa başlı ot (Taeniatherum caput-medusae) adlı bitkinin başağının günümüzdeki hali. (Sağda renksiz [James Mellaart Arşiv fotoğrafları]) Çatalhöyük kazılarında elde edilen tohumlarda ayrım bölgesi (r) ve tohumun yayılmasını kolaylaştıran püsküllerin bağlantı kısımları (g) açıkça görülmekte. Atalarımız bu yabani bitkiyi toplamalarına karşın tarıma almamışlar.

Arkeologların gözlemi yalnızca Çatalhöyük'le sınırlı değil. Uzak doğuda özellikle Çin’deki neolitik yerleşimlerde bulunan pirinç tohumları da birkaç bin yıla yayılmış yavaş seçilim sürecini destekliyor. Genetik bulguların ışığında tarım bitkilerindeki bu ağır değişim artık daha açık biçimde yorumlanabiliyor. Peki, bu olgunun ardında yatan genetik düzenek nedir?

İlk tarım geninin bulunuşu ve işleyişi

Georgia Üniversitesi Bitki Genom Haritalandırma Laboratuvarı’ndaki araştırma grubumuzun bu konuda sürdürdüğü çalışma 6 Eylül 2013 tarihinde Amerikan Ulusal Bilim Akademisi’nin saygın yayın organı Proceedings of the National Academy of Science (PNAS)’da yayına girdi. Araştırma ülkemizde özellikle Trakya bölgesinde yaygın olarak ekilen kökeni Afrika kıtası olan ak darı (Sorghum bicolor) üzerinde gerçekleşti.

Ak darı dünya tahıl üretiminde buğday, mısır, pirinç ve arpadan sonra 5. sırayı alan kuraklığa ve sıcaklığa karşı olağanüstü dirençli bir tarım bitkisi. Ak darı genomu 2008 yılında dizilendiğinde bilim topluluğu oldukça heyecanlanmıştı.

image477-4-kucuk.png
Resim 3 Ak darı (Sorghum bicolor) genom haritasından bir görünüm. Araştırmacılar 10 kromozom üzerinde bulunan genlerin birbiriyle olan etkileşimini izleyerek bitkinin kuraklığa karşı olağan üstü direnç gibi pek çok kalıtımsal özelliğini anlamaya çalışıyorlar.

Atalarımızın 8 bin yıl önce Afrika’da evcilleştirdiği ak darıyı yabani akrabalarından ayıran ve tohumlarının dökülmesine engel olan aday genleri bulmak için tüm genom içinde büyük bir arayış başladı. İlk sonuçlar gelmeye başladığında aday genlerin arasında WRKY ailesinden yazılım etkeni adı verilen bir gen öne çıkmaya başladı.

Yazılım etkenleri DNA bileşiği üzerinde genlerin başlangıç bölgesine bağlanarak aynı anda birden çok geni etkinleştirebilen hücre içinde sözü oldukça geçerli ilginç bir düzenleyici gen grubudur. Araştırma ilerledikçe WRKY geninin etkinleştirdiği hedef genleri tek tek eleyerek tohumların dökülmesine engel olan biyolojik bir özellik aradık. Yapılan deneyler WRKY geninin ürettiği proteinin evcilleştirilmiş ak darıda değişinime (mutasyon) uğradığını ve DNA bileşiğine bağlanabilme işlevini kaybettiğini gösterdi ve senaryo biçimlenmeye başladı.

Yabani ak darı türlerinde WRKY geni bitkilerde dokuların sertleşmesine neden olan lignin bileşiğini üreten genin başına bağlanmaktaydı. WRKY geni özellikle tohumların olgunlaşmaya başladığı dönemde tohumun bitkiye bağlandığı sap bölgesinde lignin üretimini artırarak bu dokuların aşırı kırılganlaşmasına neden olur. Böylece en ufak bir dokunmayla bile tohumlar dökülebilir. Evcil ak darıda gerçekleşen bu değişinim, protein zincirinin başındaki 144 amino asitlik bir bölümün üretilmesini engelliyordu. Değişinim proteinin başlangıç bölgesini DNA’ya bağlanma özelliğini yitirecek derecede kısaltmıştı. Evcil ak darı, tohumu ana bitkiye bağlayan sap bölgesinde lignin üretemediği için doku sertleşemiyordu. Bunun sonucu sap esnek kalarak hasat sırasında orak darbesiyle sarsılsa bile tohumlarını dökemiyordu.

Tarım bitki ve insan arasında imzalanmış evrimsel bir sözleşmedir

Atalarımız buğday, pirinç veya ak darıyı kuşaklar boyu süren bir süreç içinde evcilleştirirken akıllarında bir ıslah projesi yoktu. Gayri ihtiyari bir biçimde doğadan en verimli şekilde toplayabildikleri tohumları evlerine götürdüler. Bu tohumlar kendi doğasıyla çelişen “engelli” bitkiler olmalarına rağmen insanın üzerlerine kanat germesi nedeniyle yaşama fırsatı bulabildiler. Böylelikle insan ve bitki arasında DNA bileşiğine kayıtlı evrimsel bir sözleşme imzalandı. Bitki verimli hasat edilme sözü verirken, insan tohumları doğru zamanda ve uygun yerlere kendi eliyle ekerek bitkinin soyunu sürdürebilmesinin güvencesini verdi.

Tarımsal anlamda ilk seçilen özelliklerin yalnızca bir gen tarafından kontrol ediliyor olması atalarımız açısından bilincinde olmasalar bile kuşaklar boyu süren seçilimi kolaylaştıran bir durumdu. Bizlere düşen binlerce yıl önce imzalanmış sözleşmelere sadık kalarak miras edindiğimiz tohum zenginliğini korumaktır. Var olan zenginliği erozyona uğratan tektipleşmiş tohum kullanımından uzak durmalı ve dahası bu zenginliği artıracak daha güç sözleşmelere imzalar atmalıyız. Elimizdeki genom haritaları binlerce yıl süren kör seçilim sürecini hızlandırılmış evrim yoluyla onlarca yıla indirecek güçte. Mendel’in bezelyelerine yaptığı biçimde çaprazlama yoluyla hamleleri hesaplayan satranç oyuncuları gibi kuşaklar sonra öne çıkacak istenen özellikleri yabani bitkilerden çekip alarak yeni tarım bitkileri üretebiliriz. Var olan çeşitleri zenginleştirmek aradığımız özellikler yüzlerce gen tarafından eşgüdümlü olarak kontrol ediliyor olsa bile tüm genom bilgisiyle hareket edildiğinde olanaklıdır.

panelsbispq.png
Resim 4 (A) Evcilleştirilmiş ak darının (Sorghum bicolor) ürettiği değişinime uğrayarak kısalmış WRKY proteininin üç boyutlu modeli. (B) Aynı proteinin tropikal iklimde yaşayan yabani akrabasında (Sorghum propinquum) DNA’ya bağlanma özelliğini koruyan uzun hali. Kırmızı renkli bölge, büyük olasılıkla DNA’ya bağlanma yüzeyi olan gri renkli WRKY motifinin kararlılığını sağlamakta.

ligninbirikimi.png
Resim 5 Evcilleştirilmiş ak darı tohumu ile yabani akrabası kanyaş bitkisinin tohumlarının kesitleri. Dokuların sertleşmesini sağlayan lignin bileşiği ultraviole ışığı altında parlamakta. (Solda) Evcilleştirilmiş ak darı tohumunun sap bölgesinde parlama görülmüyor. (Sağda) Yabani kanyaş bitkisinde ise aynı bölgede yoğun bir lignin birikimi gözlemlenmekte.

sorghumevrimagaci.png
Resim 6 Tahıl grubu bitkilerin evrimsel soyoluş ağacı üzerindeki yeri. Ak darı (süpürge darısı) şeker kamışından yaklaşık 5 milyon yıl önce türleşerek ayrılmış. Tüm tahıl grubunun evrimsel olarak ortaya çıkışı 80 milyon yıl öncesine kadar uzanıyor.

Ak Darı ve Yabani Akrabasındaki WRKY Yazılım Etkeni Gen Ürünlerinin 3 Boyutlu Karşılaştırması adlı videoyu Vimeo'da izleyebilirsiniz.

Bu yazı ilk olarak soL gazetesinin BilimsoL ekinin 19 Eylül 2013 tarihindeki dosya konusu olarak yayınlanmıştır.
Dr. U. Uzay Sezen* hazırladı.
facebook.com/BilimsoL
twitter.com/BilimsoL

* Georgia Üniversitesi Bitki Genom Haritalandırma Laboratuvarı Araştırmacısı