1.100 Ayrı Bitkinin Gen Dizilimi, Bitkilerin 1 Milyar Yıllık Evrimine Işık Tutuyor!

Bitkiler, bir milyar yılı aşkın bir süredir Dünya’daki ekosistemlere hakim olan ve gezegenimizi biz dahil sayısız canlı türü için yaşanır kılan evrimsel şampiyonlardır. Ekim 2019’da bilim insanları kara bitkileri ve tatlısu alglerinin uzun, karmaşık tarihine ışık tutmak için dokuz yıllık bir genetik araştırmayı tamamlayarak bu muhteşem canlı grubunun yükselişindeki beklenmedik gelişmeleri ve büyük hızı ortaya çıkardılar.

Bin Bitkinin Transkriptomu Girişimi (1KP) adıyla bilinen proje, bitkilere ait yaşam ağacını genel olarak temsin eden 1.100’ü aşkın bitki türünün gen dizilimini çıkarıp analiz etmek için yaklaşık 200 bitki biyoloğunu bir araya getirdi. Ekibin bulguları 23 Ekim 2019 tarihinde Nature dergisinde yayınlandı. Alberta Üniversitesi biyolojik bilimler profesörü ve 1KP projesinin baş araştırmacısı Gane Ka-Shu Wong şunları söylüyor:

Yaşam ağacındaki her şey birbiriyle ilişkilidir. Bu ağacı anlamak istiyorsak türler arasındaki ilişkilere bakmalıyız. İşte bu noktada genlerin dizilimi devreye girer.

Bitki araştırmalarının çoğu kültür bitkileri ve birkaç model tür üzerine yoğunlaşmış, neredeyse yarım milyon türden oluşan bir dala ait evrim öyküsünün arka planda kalmasına neden olmuştur.

1KP ekibi bitki evrimine dair kuş bakışı bir görüntü elde edebilmek ve tatlısu algleri, yosunlar, eğrelti otları, kozalaklılar, çiçekli bitkiler ile fotosentez yapabilen diğer bitki soy hatlarının genetik esaslarını aydınlatabilmek için transkriptomların, yani aktif olarak ifade edilen gen kümesinin dizilimini çıkardı. Florida Üniversitesi ayrıcalıklı profesörü, Florida Doğa Tarihi Müzesi küratörü ve çalışmanın eşyazarı olan Pamela Soltis şunları söylüyor:

Bu çalışma, sadece evrim ağacının küçük bir kısmında yoğunlaşan kültür bitkilerine bakarak elde edeceğimizden daha kapsamlı bir bakış açısı kazandırıyor. Bu büyük resme bakarak genom seviyesinde gerçekleşen değişiklikleri anlayabilirsiniz, daha sonra da fiziksel karakteristikler, kimya veya ilginizi çeken başka bir özellikteki değişiklikleri araştırabilirsiniz.

Yine Florida Üniversitesi profesörlerinden, Florida Müzesi küratörlerinden ve çalışmanın eşyazarlarından Douglas Soltis de projenin devasa büyüklüğünün yarattığı zorluklara işaret ediyor ve ekliyor:

Bu kadar çok sayıda genomu incelemek eşsiz bir deneyimdi. Bu çalışma sadece teknoloji açısından değil, ölçek açısından da büyük bir adımdır.

Transkriptomların dizilimini çıkarmak için toplanan dokuların taze olması gerekiyordu, bu nedenle Soltis kendini elinde sıvı nitrojen kutularıyla Gainesville’in yeşillik alanlarını gezerken buldu. Laboratuvardaki ekip de donmuş bitki parçalarından genetik materyal elde ediyor ve dizilimini çıkarmaları için Çin’e gönderiyordu. Dünyanın dört bir tarafındaki meslektaşları da bu işlemleri yapıyorlardı.

Dizilimleri analiz etmek için mevcut yazılımın da elden geçmesi gerekiyordu, çünkü eldeki yazılım bu kadar büyük bir genetik veri hacmini işleyebilecek şekilde tasarımlanmamıştı. Bu analiz için para desteği olmadığından araştırmacılar boş zaman bulduklarında bazı verileri kırpmak zorunda kaldılar. Florida Üniversitesi’nin Biyoçeşitlilik Enstitüsü’nü de yöneten Pamela Soltis şunları söylüyor:

Fakat bu emeğe değerdi. Böylece bitki topluluğuna 1000’den fazla dizilim seti daha eklenmiş oldu. Buna kim hayır diyebilirdi ki? Bitkilere ait yaşam ağacının birçok dalı bu sayede dolmuş oldu.

Bitki evrimine özgü özelliklerden biri, hayvanlarda nadiren görülen genom ikilenmesinin (genom duplikasyonu) sıklığıdır. Soy hatlarında tüm gen seti iki, üç, hatta dört kez kopyalanıp çoğalarak genom miktarlarını büyük oranda artırmışlardır. Bilim insanları genom ikilenmesinin amacını hâlâ tam olarak anlayamasalar da evrim süreci boyunca yenilikler getirdiğini düşünmektedirler. Bir genin iki kopyasına sahipseniz bunlardan biri yavaş yavaş yeni bir fonksiyona evrimleşebilir. Douglas Soltis konu hakkında şunları söylüyor:

1KP’nin amaçlarından biri de bitkilerdeki tüm genom setinin ikilenme sıklığını irdelemekti. Genom ikilenmesi daha çok çiçekli bitkilerle eğrelti otlarında olduğu bilinse de 1KP projesi hem bu gruplarda hem de kozalaklıların da içinde bulunduğu açık tohumlu bitkilerde daha önce bilinmeyen ikilenme olaylarını ortaya çıkardı.

Diğer bitki soy hatları ise tüm genomlarını kopyalamak yerine belli gen ailelerini genişletecek şekilde farklı bir yol izlemişlerdir. Bunun da evrimsel gelişim için yeni yollar sağladığı düşünülmektedir. Gerçekten de 1KP araştırma ekibi, su ve besin iletimi için özelleşmiş ksilem ve floem hücrelerine sahip olan damarlı bitkilerin ortaya çıkışından hemen öncesinde genlerde önemli bir artış olduğunu ortaya çıkardı. Douglas Soltis şunları söylüyor:

Ancak gen artışları her zaman bitki evrimindeki önemli olaylara karşılık gelmiyor. Örneğin tohumlu bitkiler ya da çiçekli bitkilerin ortaya çıkışından önce genlerde büyük bir artış yoktur. Hatta çiçekli bitkilerin belli gen aileleri küçülmüştür; bu, mevcut genlerin yeni fonksiyonları da üstlendiğini gösteriyor olabilir.

Başka bir ilginç bulgu da yosunlar, ciğer otları ve boynuz otlarının birbirleriyle ilişkili tek bir grup oluşturduğu yönündeydi, böylece aksini savunan yüzlerce yıllık varsayımın son birkaç on yıldır zıt yönde değişmesi de onaylanmış oldu. Pamela Soltis’in sözleri şöyle:

2014 yılında kısmi bir analiz yapmış ve bu bitkilerin yakın akraba olduğunu göstermiştik, ancak birçok kişi buna inanmamıştı. Bu projenin sonuçları önceki bulgularımızın da önemini vurguluyor. Bu durum yosun dünyasını sarsacak.

Araştırmacıların verdiği bilgilere göre, 1KP projesi bir taraftan bitki evrimiyle ilgili ve soy hatları arasındaki ilişkiler hakkında daha ayrıntılı bilgiler edinmemizi sağlarken diğer taraftan da kültür bitkileri, tıp ve diğer alanların ilerlemesi için paha biçilmez veriler sunuyor. Pamela Soltis’in bu konudaki sözleri ise şöyle:

Çiçekli bitkilerde hangi genlerin ikilendiğinin belirlenmesi, bilim insanlarının bu genlerin fonksiyonunu daha iyi anlamasını sağlayarak kültür bitkilerini geliştirmelerine yol açabilir.

Ayrıca birçok bitki tıpta kullanıldığı için, 1KP projesinin sunduğu genetik veriler insan sağlığını geliştirme yönünde yeni keşifler yapılmasına yol açabilir. Douglas Soltis şunları söylüyor:

Özellikle kimyasal içerikleri açısından önemli olduğu bilinen birçok bitki soy hattının yabani örneklerini toplamaya çalıştık. Bu malzemelerin yeni bileşiklerin bulunmasında kullanılabileceğini umuyoruz.

1KP ekibinin ürettiği dizilimler, CyVerse Data Commons üzerinden herkesin kullanımına açık bir şekilde yayınlanmıştır. Pamela Soltis sözlerini şöyle bitiriyor:

Bu veriler hiç tahmin etmediğimiz amaçlar için belki yüzlerce makalede kullanıldı. Bu çalışmanın en güzel tarafı da bu oldu.

Ancak 1KP ekibinin bu başarıyı kutlamak için pek zamanları yok. Yeni hedefleri olan 10.000 genomun dizilimini çıkarmakla meşguller.