Hibrid Çeşit Islahı ve Hibrid Çeşit Islahında Kullanılan Genetik Mekanizmalar Sitoplazmik erkek kısırlık, Cinsiyet Kalıtımı
Yüklə 101,95 Kb.
|
|
Hibrit Çeşit Islahı ve Hibrit Çeşit Islahında Kullanılan Genetik Mekanizmalar (Sitoplazmik Erkek Kısırlık, Cinsiyet Kalıtımı, Kendine Uyuşmazlık) Prof. Dr. Turan Tatlıoğlu TURTAT Tohum Islah Ltd. Şti. Susurluk
Tohum üretim şekline dayanarak bitki çeşitleri dört farklı çeşit tipine ayrılabilir: 1. Klon çeşitler, 2. Hat çeşitleri, 3. Populasyon çeşitleri, 4. Hibrit çeşitler. Her çeşit tipinin genetik strüktürü farklıdır. Hat çeşitleri homojen ve homozigottur, Klon ve Hibrit çeşitler homojen ve heterozigottur, Populasyon çeşitleri ise heterojen ve heterozigottur. Hibrit çeşit tipinin diğer çeşit tiplerine nazaran şu önemli avantajları vardır: 1. Heterosis efektinin yüksek derecede kullanılması, 2. Kalıtımı dominant olan özelliklerin F1-generasyonunda kolayca kombine edilebilmeleri, 3. Uniformluk (Homojenlik), 4. Tabii çeşit korunması. Hibrit ıslahı neticesinde iki hat, birisi dişi diğeri erkek hat olarak kullanılmakta ve dişi hattın sadece erkek hattın polenleri tarafından döllenmesi gerekmektedir. Bitki türlerinin çoğu çift eşeyli çiçekler üretmektedir. Bu yüzden Hibrit tohum üretiminde dişi hattın elle kastrasyonu bir iki bitki türü hariç rantabl olmadığından ıslahçılar dişi hattın kendi polenleriyle döllenmesini önlemek için üç genetik kontrol mekanizmasından faydalanmaktadırlar: 1. Sitoplazmik Erkek Kısırlık (CMS, Cytoplasmic Male Sterility), 2. Cinsiyet Kalıtımı, 3. Kendine Uyuşmazlık (Self Incompatibility). Kendine Uyuşmazlık ve Cinsiyet Kalıtımı’nın Hibrit ıslahında kullanıldığı bitki türü sayısı sınırlıdır. Buna karşılık Sitoplazmik Erkek Kısırlık özelliği pek çok bitki türünün Hibrit ıslahında kullanılmaktadır. Hibrit ıslah metodu birbirini takip eden üç basamağa ayrılabilir: 1. Özellikleri mümkün olduğu kadar iyi olan ebeveyn (ana, baba) hatların teşkili, 2. Maksimal kombinasyon özelliği olan hatların tespiti (GCA, general combining ability, genel kombinasyon uyumluluğu; SCA, specific combining ability, özel kombinasyon uyumluluğu), 3. Hibrit tohum üretimi için kontrol altında yapılan tozlaşma. Kontrollü Hibrit tohum üretiminde tatbik edilen yukarıda adı geçen üç mekanizmanın genetiği, nasıl kullanıldığı ve Almanya Hannover Üniversitesi Tatbiki Genetik Enstitüsü’nde uzun senelerdir yapılmakta olan, Sitoplazmik Erkek Kısırlık konusuyla (model bitki: Frenk soğanı, Allium schoenoprasum L) ve Cinsiyet Kalıtımı konusuyla (model bitki: Hıyar (Cucumis sativus L.) ilgili çalışmaların bir özeti sunulacaktır. Anahtar kelimeler: Çeşit tipleri, Hibrit Çeşit Islahı, Heterosis, Sitoplazmik Erkek Kısırlık, Cinsiyet Kalıtımı, Kendine Uyuşmazlık Not: VII. Sebze Tarımı Sempozyumunda (26 – 29 Ağustos 2008, Yalova) verilen çağrılı bildirinin metnidir. Breeding of Hybrid Varieties and Genetic Mechanisms Used in Hybrid Breeding (Cytoplasmic Male Sterility, Sex Inheritance, Self Incompatibility) Prof. Dr. Turan Tatlıoğlu TURTAT Tohum Islah Ltd. Şti. Susurluk
In dependence of the kind of seed production plant species can be divided in four different variety types: 1. Clone varieties, 2. Line varieties, 3. Population varieties, 4. Hybrid varieties. Each variety type has a specific genetic structure. Line varieties are homogeneous and homozygous, clone varieties and hybrid varieties are homogeneous and heterozygous, population varieties are heterogeneous and heterozygous. Compared with the other variety types hybrid varieties have the following advantages: 1. The use of heterosis effect in high degrees, 2. Easy combination of dominantly inherited characters in the F1- generation, 3. Uniformity (Homogeneity), 4. Natural variety protection. At the end of hybrid breeding there are a female and a male line, and the female line has to be pollinated by the male line. Most of the plant species produce hermaphrodite flowers. For hybrid seed production except very few plant species hand emasculation of the female line is not possible. To prevent the fertilization of the female line by the own pollen plant breeders use three genetic control mechanisms: 1. Cytoplasmic Male Sterility (CMS), 2. Sex Inheritance, 3. Self Incompatibility. The number of plant species where within their hybrid breeding Sex Inheritance or Self Incompatibility is used is limited. On the other hand CMS is used in the hybrid breeding of many important plant species. Hybrid breeding can be divided into three stages: 1. Production of the parent lines (female and male lines) with high own performance, 2. Selection of lines with the best combining ability (GCA, general combining ability; SCA, specific combining ability), 3. Production of hybrid seeds under controlled conditions. The genetics and the use of the three genetic mechanisms of hybrid breeding and the most important results of the investigations on CMS (model plant species: Allium schoenoprasum L.) and Sex Inheritance (model plant species: Cucumis sativus L.) carried out in the Institute of Applied Genetics, University of Hannover, will be presented.
Sex Inheritance, Self Incompatibility Hibrit Çeşit Islahı ve Hibrit Çeşit Islahında Kullanılan Genetik Mekanizmalar (Sitoplazmik Erkek Kısırlık, Cinsiyet Kalıtımı, Kendine Uyuşmazlık) 1. Hibrit çeşitlerin çeşit tipleri arasındaki yeri ve özellikleri Bitki çeşitleri son üretim safhasında kullanılan üreme şekline dayanarak dört kategoriye ayrılabilir (Schnell 1982) (Tab. 1). Tab.1: Üreme Şekli, Islah Kategorisi ve Çeşit Tipi
Bu dört kategoriden de dört çeşit tipi oluşmaktadır. Bu dört çeşit tipi esas itibariyle genetik strüktürleri bakımından tamamen farklıdırlar ve bunların ıslahında farklı metotlar tatbik edilir. Bu dört çeşit tipi arasındaki farkları dört sorudan müteşekkil bir soru kataloğu sayesinde çok açık bir şekilde izah etmek mümkündür (Tab.2): 1. Çeşidin üreme şekli, 2. Çeşidin heterozigotluk durumu, 3. Çeşidin homojen olup olmayışı, 4. Çeşidin çeşit içindeki bitkilere dayanarak üretilmesinin mümkün olup olmadığı. Buna göre sadece Klon çeşitleri aseksuel diğerleri seksuel üremekte, sadece hat çeşitlerinde bitkiler homozigot diğerlerinde heterozigot, sadece Populasyon Çeşitleri heterojen diğerleri homojen ve sadece Hibrit çeşitlerin çeşit içindeki bitkiler kullanılarak üretilmesinin mümkün olmadığı diğerlerinin ise mümkün olduğu görülür. Tab. 2: Dört Çeşit Tipinin Karakteristikleri
 Şekil 1, çeşit tiplerinin genetik strüktürü hakkında bize daha açıklayıcı bir bilgi vermektedir. Homozigotluk Hat Çeşitlerinden Hibrit ve Klon Çeşitlerine doğru azalmakta ve heterozigotluk artmaktadır. Klon Çeşitleri, Hat Çeşitleri ve Hibrit Çeşitler homojen, Populasyon Çeşitleri ise heterojendir ve Hibrit ve Klon Çeşitleri ve Populasyon Çeşitleri heterozigottur. Populasyon Çeşitlerinin heterozigotluk derecesi Hibrit ve Klon Çeşitlerine nazaran biraz daha azdır. Bu dört çeşit tipinin ıslahında bazı çeşit tiplerinde genelde farklı bir kaç ıslah metodu mevcut olmasına rağmen bazılarında, mesela klon çeşit ıslahında, sadece bir tek ıslah metodu mevcuttur.
Şekil 1: Dört çeşit tipinin genetik strüktürü (Modife edilmiş şekliyle, Schnell 1982) 2. Hibrit çeşitlerin avantajları Hibrit çeşit tipinin diğer çeşit tiplerine nazaran şu önemli avantajları vardır: 1. Heterosis fenomeninden yüksek derecede faydalanılması, 2. Kalıtımı dominant olan özelliklerin F1 generasyonunda kolayca kombine edilebilmeleri, 3. Uniformluk (Homojenlik), 4. Tabii çeşit korunması, 2.1 Heterosis fenomeni Heterosis fenomeni, belli iki kendilenmiş hattın (inbreeding lines) veya iki çeşidin birbiriyle melezlendikten sonraki generasyonda ortaya çıkan ve ebeveynlerin ortalama değerine olan farkı ifade etmektedir;  . Sekil 2 de böyle bir melezlemenin neticesi sembolik olarak ifade edilmiştir. Performansı en iyi ebeveynin de üzerinde olan F1 g enerasyonu elde etmek mümkündür. Hibrit çeşit ıslahında da gaye budur. Şekil 2: Heterosis (Modifiye edilmiş şekliyle, Becker 1993) Heterosis fenomeninin tam izahı mümkün olmamakla beraber bu fenomenin açıklanması ile ilgili üç hipotez mevcuttur: 1. Dominanz hipotezi: Bir çok lokusun kısmi veya tam dominant olması (heterozigot veya homozigot dominant), 2. Überdominanzhipotezi: Bir kaç lokusun süperdominant olması, 3. Epistazihipotezi: heterozis farklı genler arasındaki epistatik interaksiyonların neticesidir. Bu genlerin Hibrit de yani F1 generasyonunda bir araya gelme ihtimali daha kuvvetlidir. Gerek Superdominanz gerekse Tamdominanz nazarı itibara alındığında ve belli bir gen bütün bitkilerde heterozigot konstitüsyonda olduğunda bu genin populasyona olan katkısı, populasyon Hardy-Weinberg dengesinde olduğu duruma nazaran daha yüksektir ((yabancı dölleme yapan her populasyon bir tesadüfi açık döllemeden sonra ( random maiting) Hardy-Weinberg dengesine girmektedir, ek bilgi için bak: Wricke ve Weber 1986)). Bir tek lokus (gen) nazarı itibara alınarak heterosis fenomeninin Tamdominanz ve Superdominanz Hipotezi ile izahı Tab. 3 te gösterilmiştir. Tab. 3: Bir tek Lokus (A/a) nazarı itibara alınarak Heterosis fenomeninin Süperdominanz ve Tamdominanz hipotezi ile izahı Allel frekansları: A = p = 0,6 a = q = 0,4 Süperdominanz -Genotipler AA Aa aa -Hardy-Weinberg dengesinde genotip frekansları p2 2pq q2 -Genotipin değeri 0,8 1,0 0,6 -Genotipin populasyona kattığı değer 0,6x0,6x0,8 2x0,6x0,4x1,0 0,4x0,4x0,6 = 0,288 = 0,48 = 0,096 A/a lokusunun populasyona kattığı değer: 0,288 + 0,48 + 0,096 = 0,864 A/a lokusu heterozigot olduğunda populasyona kattığı değer = 1,0 Tamdominanz -Genotipler AA Aa aa -Hardy-Weinberg dengesinde genotip frekansları p2 2pq q2 -Genotipin değeri 1,0 1,0 0,6 -Genotipin populasyona kattığı değer 0,6x0,6x1,0 2x0,6x0,4x1,0 0,4x0,4x0,6 = 0,36 = 0,48 = 0,096 A/a lokusunun populasyona kattığı değer: 0,36 + 0,48 + 0,096 = 0,936 A/a lokusu heterozigot olduğunda populasyona kattığı değer = 1,0 Islah hedefi olan özelliklerin, bilhassa verimin (dane, meyve v.s.) pek çok sayıda gen tarafından kontrol edildiği bilinmektedir. Çok sayıda geni arzu edilen konstitüsyonda ihtiva eden (yani homozigot dominant olarak) bir genotipin seleksiyonu ise çok zor bir olaydır ve gerçekleştirilmesi mümkün olmayan büyüklükte populasyonlarla çalışmayı gerektirmektedir. Islah hedefi olan özellikleri kontrol eden genlerin mümkün olduğu kadar fazlasını uygun bir kombinasyonda, yani heterozigot olarak, bir araya getirebilmek ise F1 generasyonunda yani Hibrit ıslahı sayesinde mümkündür. Çeşitli bitki türlerinde tespit edilmiş relatif heterosis derecesi (ebeveyn ortalamasının yüzdesi olarak) Tab. 4 te gösterilmiştir. Buradan çıkan netice yabancı dölleme yapan bitkilerde heterosisin kendi kendini dölleyen bitkilere nazaran çok daha fazla olduğu ve gözlenen özelliğe bağlı olduğudur. Mesela heterosis verimde bitki boyuna nazaran çok daha fazladır. Tab. 4: Çeşitli bitki türlerinde relatif heterosis derecesi (ebeveyn ortalamasının yüzdesi olarak)
2.2. Kalıtımı dominant olan özelliklerin F1 generasyonunda kolayca kombine edilebilmeleri Kalıtımı dominant genlerle kontrol edilen özellikleri bir çeşitte bir araya getirmenin en kolay yolu Hibrit ıslahıdır. Bu avantaj bilhassa seralarda ekilen sebzelerin (misal: domates, hıyar) dayanıklılık (hastalıklara mukavemet) ıslahında çok önem taşımaktadır. Mesela iki dominant dayanıklılık geninin ana hatta diğer ikisinin baba hatta homozigot dominant olarak bir araya getirilmesi ve bu dört dominant genin F1 generasyonunda, yani Hibrit çeşitte kombinasyonu, AABBccdd (P1) x aabbCCDD (P2) = AaBbCcDd (F1), dört genide homozigot dominant olan bir hat çeşidinin veya populasyon çeşidinin ıslahından çok daha kolay ve avantajlıdır. Zira dört genide homozigot dominant olan genotiplerin bulunması iki gene nazaran çok büyük populasyonlarla çalışmayı gerektirdiği gibi selekte edilen bir genotipin dört hastalığa birden mukavim olup olmadığının bir tek genotip üzerinde experimental tespiti çok zordur hatta çoğu kez imkansızdır. 2.3. Uniformluk (Homojenlik) Bir çok bitki türünde homojenlik büyük önem taşımaktadır. Bu sayede (bilhassa sebzelerde) hasat edilecek kısım aynı zamanda olgunlaştığından makina ile hasat imkanı doğmaktadır. Ayrıca aynı büyüklükte olan ürünün paketlenmesi ve nakliyesi bazı bitki türlerinde büyük avantaj sağlamaktadır. Bir Hibrit çeşidin ana ve baba hattı yüksek derecede homozigot hatlar olduğundan bunların tozlaşmasından doğan Hibrit çeşit yüksek derecede heterozigot fakat uniform ve homojendir. Yabancı döllenen bitki türlerinde Hibrit ıslahı sayesinde ulaşılacak homojenliğe populasyon çeşitlerle ulaşmak imkansızdır. 2.4. Tabii çeşit korunması Bir Hibrit çeşitten alınan tohum tekrar ekildiğinde, Hibrit çeşit F1 generasyonunu teşkil ettiğinden, dolayısıyla yüksek derecede heterozigot olan bitkileri ihtiva ettiğinden, gelecek nesilde yani F2 generasyonunda açılım olacak ve homojenlik kaybolduğu gibi F1 generasyonundaki heterosis düşecektir ve verim ve diğer özelliklerde önemli derecede azalma olacaktır. Bu yüzden Hibrit çeşitler ancak bir defa ekilebilir. Buda bitki ıslahçısına, çeşit koruma kanunlarının yanında ek olarak tabii bir çeşit koruması sağlamış olur. Bu özellik ıslahçı için çeşidin çifte korunması demektir. Bu durum ıslahçıya, bilhassa çeşit koruma kanunlarının tam manasıyla yerleşmediği ülkelerde de Hibrit çeşitlerin korkusuzca yayılabilmesi imkanını sağlamaktadır. 3. Hibrit ıslahındaki basamaklar Hibrit ıslahı genel olarak üç basamağa ayrılabilir: 1.Özellikleri iyi olan kendilenmiş hatların hazırlanması, 2. Maksimal kombinasyon özelliği olan hatların tespiti, 3. Kontrollü melezleme şartları altında Hibrit tohumunun üretilmesi. Yabancı dölleme yapan bitki türlerinde kendilenmiş hatların hazırlığı esnasında ve iyi özellikleri haiz olan kendilenmiş hatların seleksiyonu işleminde doğacak problemlere zamanımızın azlığından dolayı değinmiyorum. Maksimal kombinasyon özelliği olan hatların tespiti için önce genelde “Topcross Test” metoduyla hatların genel kombinasyon özelliği (GCA, general combining ability) tespit edilir. Sonra genel kombinasyon özelliği iyi olan hatlar arasında diallel melezlemeler ((n x (n-1) kombinasyon)) veya ekseriyetle faktöriyel melezlemeler (n x m kombinbasyon) yaparak spesifik kombinasyon özelliği (SCA, specific combining ability) en iyi olan iki hat seçilir. Gene zamanımızın kıtlığı bakımından bu konulara da daha fazla girmiyorum (ek bilgi için: Wricke ve Weber 1986, Kuckuck et al. 1991). Hibrit ıslahının üçüncü safhasında, yani tohum üretimi safhasında, ana hattın sadece baba hattın polenleri tarafından döllenmesi gerekmektedir. Bitki türlerinin çoğu çift eşeyli çiçekler üretmektedir. Dolayısıyla ana hat da çiçek tozları üretmektedir. Hibrit ıslahı için ana hattın elle kastrasyonu sadece çok az bitki türünde mümkündür (misal: mısır, domates). Diğer bitki türlerinde ana hattın kendi çiçek tozlarıyla döllenmesini önlemek için Hibrit ıslahında üç genetik mekanizma kullanılmaktadır: 1. Sitoplazmik erkek kısırlık (CMS, cytoplasmic male sterility), 2 Cinsiyet kalıtımı, 3. Kendine uyuşmazlık (Selfincompatibility), (ek bilgi için: Tatlıoğlu 1991). Cinsiyet Kalıtımı ve Kendine Uyuşmazlık mekanizmalarının kullanıldığı bitki türü sayısı sınırlıdır. Sitoplazmik erkek kısırlık ise ekonomik değeri yüksek olan pek çok bitki türünün Hibrit ıslahında kullanılmaktadır. 4. Sitoplazmik erkek kısırlık (CMS, cytoplasmic male sterility) Bitkilerde genik ve sitoplazmik erkek kısırlık olmak üzere iki türlü erkek kısırlık mevcuttur. Genik erkek kısırlık sadece hücre çekirdeğindeki genelde resesif bir gen vasıtasıyla kontrol edilir. Dolayısıyla genik erkek kısırlığı kullanarak Hibrit ıslahında gerekli olan sırf erkek kısır bitkileri ihtiva eden populasyonların ıslahı mümkün değildir (ek bilgi için: Tatlıoğlu 1991). Bu yüzden genik erkek kısırlığın Hibrit ıslahında kullanılabilme şansı yoktur denebilir. Sitoplazmik erkek kısırlık ise aşağıda göreceğimiz gibi sadece erkek kısır bitkilerden oluşan populasyonların üretilmesini mümkün kılmaktadır ve bu yüzden Hibrit ıslahında kullanılmaktadır. 4.1. Sitoplazmik erkek kısırlığın kalıtımı ve Hibrit ıslahında kullanılması Sitoplazmik erkek kısırlığın Hibrit ıslahındaki önemi ilk önce Amerika Birleşik Devletlerinde 1943 yılında soğan bitkisinde anlaşılmıştır (Johns ve Clark 1943). Sitoplazmik erkek kısır bir bitkinin sitoplazmasında kısırlık faktörü bulunmaktadır ve hücre çekirdeğindeki kısırlıkla ilgili gen, Ms/ms, resesiftir: (S)msms. Ms/ms lokusunda heterozigot veya homozigot dominant olan bitkiler kısırlık sitoplazmasına rağmen fertildirler. Normal sitoplazmayı, (N), ihtiva eden bitkiler kısırlık geni konstitüsyonu ne olursa olsun fertildirler: ((N)msms, (N))Msms, (N)MsMS. Sitoplazmada bulunan kısırlık faktörü genelde polenler vasıtasıyla değil sadece yumurta hücreleri tarafından gelecek nesle taşınmaktadır. Dolayısıyla (S)msms x (N)msms melezlemesi, sadece (S)msms bitkilerini ihtiva eden yani tamamıyla kısır olan populasyonların üretilmesini ve böyle populasyonların ana hat olarak kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Genelde kültür bitkilerinin generatif aksamları (tohumlar, meyveler) kullanıldığından Hibrit çeşitteki bitkilerin fertil olması gerekir. Dolayısıyla Hibrit babasının fertilliği restore etmesi bunun içinde Ms/ms lokusunda homozigot dominant olması gerekir. Sitoplazması ise (N) veya (S) olabilir: (N/S)msms. Bu genotipler bitki ıslahında “restorer” olarak, erkek kısırlığı idame ettiren genotiplerde, ((N)msms) , “maintainer” olarak isimlendirilir. Sekil 4 te sitoplazmik erkek kısırlığın Hibrit ıslahında nasıl kullanıldığı şematik olarak gösterilmiştir. Sekil 5 te ayçiçeğinde erkek kısır bir bitkinin fertil bir bitkiyle mukayesesi görülmektedir. 
Sekil 4: Hibrit ıslahında sitoplazmik erkek kısırlığın kullanılması S  ekil 5: Ayçiçeğinde (Helianthus annuus L.) erkek kısır bir bitkinin (solda) fertil bir bitkiyle mukayesesi 4.2. Frenk soğanında (Allium schoenoprasum L.) erkek kısırlık araştırmaları Bir hücrenin hücre çekirdeği dışında sitoplazmasında bulunan mitokondrilerin ve kloroplastların da kalıtım materyali (DNA) ihtiva ettikleri takriben 1960 lı yıllardan beri bilinmektedir. Bu yüzden erkek kısırlığın kalıtımında kloroplastların mı yoksa mitokondrilerin mi rolü olduğu sorusu genetikçileri ve bitki ıslahçılarını uzun zaman meşgul etmiştir. Dolayısıyla bu konuda genetikçiler bir çok bitki türünde araştırmalar yapmıştır. Hannover Üniversitesi Tatbiki Genetik Enstitüsünde 1979 -2006 yılları arasında yaptığımız araştırmalarımızın Hibrit ıslahını ilgilendiren en önemli neticelerinin, vakit darlığı yüzünden sadece ufak bir kısmını burada sunmak isterim. Adı geçen araştırmalar için model bitki olarak Frenk soğanı (Allium schoenoplasum L.) kullanılmıştır. Bu bitki türünün hem generatif hem de vegetatif üremesi ve çok senelik oluşu adı gecen araştırmalar için büyük bir avantaj teşkil etmektedir. Frenk soğanında sitoplazmik erkek kısırlık 1982 yılında ispat edildi (Tatlıoğlu 1982) ve bu bitki türünde Hibrit ıslahı imkanı doğdu (1993a). Buna göre erkek kısır bir bitkinin genetik konstitüsyonu: (S)xx, fertil bitkilerin genetik konstitüsyonu: (S)XX , (S)Xx ve hücre çekirdeği genine bağlı olmadan sitoplazması normal (N) olan bütün bitkiler (Tab.5). Şekil 6 da frenk soğanında erkek kısır ve fertil bitkilerin çiçekleri, Şekil 7 de soğanda (Allium cepa L.) erkek kısır ve fertil bitkilerin polenleri görülmektedir. Frenk soğanının experimental avantajlarından faydalanılarak hiç bir bitki türünde bulunmamış olan ve erkek kısırlığı etkileyen iki hücre çekirdeği geni (Sıcaklık geni T/t ve Tetracyclin geni A/a) daha tespit ettik. Buna göre sıcaklık geni dominant olan erkek kısır bitkiler ((S)xxTT veya (S)xxTt)) çiçek açma devresinde devamlı 24°C üzerinde bir sıcaklıkta tutulurlarsa fertil polenler üretebilmektedir (Tab 5), (Tatlıoğlu 1985, 1987). Buradan, diğer bitki türlerinde de (mesela Allium cepa L.) gözlenen yüksek ısının fertilliği teşvik eden ve Hibrit tohum üretiminde zararlı olan etkisinin özel hücre çekirdeği genleri tarafından kontrol edildiği ve yüksek ısıdan etkilenmeyen sitoplazmik erkek kısır hatların seleksiyonunun mümkün olduğu neticesi çıkarılabilir. Tetracyclin lokusunda resesif olan erkek kısır bitkiler ise ((S)xxaa) çiçeklenme devresinde, bir antibiyotik olan Tetracyclin’le muamele edildiklerinde geçici olarak fertil polen üretmektedirler (Tab 5), (Tatlıoğlu 1986, Tatlıoğlu ve Wricke 1988). Bu netice, mitokondrilerin ve bakterilerin protein sentezi sistemlerinin benzerliğinin başka bir işareti olarak algılanabilir (Endosimbiyonten Teorisi) ve ayrıca erkek kısır hatların maintainerlere ihtiyaç olmadan üretilebilmeleri konusunda yeni imkanlar yaratabilir. T  ab. 5: Frenk soğanında (Allium schoenoprasum L. ) erkek kısırlığın kalıtımı Kaynak: Tatlıoğlu 1982, 1985, 1986, 1987, Tatlıoğlu ve Wricke 1988  Sekil 6: Frenk soğanında (Allium schoenoprasum L.) sitoplazmik erkek kısır bir bitkinin (solda) ve fertil bir bitkinin çiçekleri (Kaynak: Tatlıoğlu 1982) Sekil 7:  Soğanda (Allium cepa L.) sitoplazmik erkek kısır (solda) ve fertil bitkilerin polenleri (Kaynak: TURTAT Tohum Islah Ltd. Şti.) Frenk soğanındaki bu CMS sisteminden faydalanarak ve „RFLP“ (restriction fragment length polimorphism), „Southern Blot“ ve „in Oganello Protein Biyosentesi“ tekniklerini kullanarak diğer bazı bitki türlerinde olduğu gibi Frenk soğanında da kloroplastların değil mitokondrilerin sitoplazmik erkek kısırlığın kalıtımında rol oynadığı tespit edildi (Potz ve Tatlıoğlu 1993). Ayrıca (S) sitoplazmasının mitokondrilerinde CMS le bağlantılı olan ve (N) sitoplazmasının mitokondrilerinde mevcut olmayan tahmini moleküler ağırlığı 18 KDa olan bir mitokondriyal proteinin ve X/x restorer geninin bu proteinin sentezine olan etkisinin ispatı yapıldı (Potz ve Tatlıoğlu 1993) (Sekil 8). Buradan 18 KDa proteininin Frenk soğanında erkek kısırlığın oluşmasında rol oynadığı neticesi çıkarılabilir. Bundan sonraki çalışmalarımızda Frenk soğanında ikinci bir sitoplazmik erkek kısırlık ve iki farklı genik erkek kısırlık ispat ettik (Engelke ve Tatlıoğlu 2000a, 2000b). Frenk soğanındaki birinci sitoplazmik erkek kısırlık (CMS1) sitoplazması mitokondrilerinden izole ettiğimiz atp9 geninden kazandığımız PCR (polimerase chain reaction) markerleri vasıtasıyla CMS1 sitoplazması için spesifik olan 776 bp (baz cifti) büyüklüğünde bir mitokondriyal segment izole ettik (Sekil 9, Engelke ve Tatlıoğlu 2002). Bu segment atp9 genine homolog sekvensler ihtiva etmekte. Bu segmentte atp9 geni pozisyon 147 de kesilmiş ve araya atp9 genine homolog olmayan 623 bp lik bir segment girmiş vaziyette. Bu 623 bp lik segmentin 5’ tarafında 138 bp lik kısım atp6 genine homolog olan geri kalan kısmı ise orijini belli olmayan sekvensler ihtiva etmekte. Dolayısıyla bu tespit ettiğimiz CMS spesifik segment te bazı bitki türlerinde bulunmuş CMS spesifik segmentler gibi çeşitli DNA parçalarından oluşmuş bir çimer (chimerical sequence) teşkil etmektedir. Ayrıca bu 776 bp lik sekvens içinde pozisyon 244 de başlayan ve pozisyon 745 te TAG ile biten 501 bp lik bir yeni putative „open reading frame“ (orf 501) bulunduğu tespit edilmiştir (Şekil 9). Daha sonraki araştırmalarımız CMS1 spesifik 18 KDa mitokondriyal proteinin sentezinin orf 501 e dayandığı ihtimalini ileri derecede kuvvetlendirmiştir (Engelke ve Tatlıoğlu 2004). B  u neticeler kullandığımız atp9 genine dayanan PCR markerleri sayesinde çok az bir DNA miktarı kullanarak CMS1 sitoplazmasının ispatını da mümkün kılmıştır. Ayrıca aynı yöntemleri uygulayarak Frenk soğanındaki diğer kısırlık sitoplazmasının ve tespit ettiğimiz üç farklı normal sitoplazmanın ispatını mümkün kılan PCR marker sistemleri geliştirilmiştir (Engelke ve Tatlıoğlu 2002). Gene Frenk soğanından izole ettiğimiz CMS1 spesifik sekvenslere dayanarak geliştirdiğimiz bir PCR marker sistemi sayesinde soğanda (Allium cepa L.) mevcut olan iki kısırlık sitoplazmasını ((T) ve (S) sitoplazmaları)) normal sitoplazmadan (N) ayırmak mümkündür (Engelke et al. 2003). Bu metodun, daha önceden bulunmuş olan, (S) ve (N) sitoplazmalarını bir birinden ayırabilen fakat (T) ve (N) sitoplazmalarını bir birinden ayıramayan bir metotla (Sato 1998) kombinasyonu sayesinde, soğandaki üç sitoplazma tipini birbirinden ayırmak mümkün olmuştur (Engelke et al. 2003). Geliştirdiğimiz bu metot soğan ıslahçıları tarafından pratikte kullanılmakta ve kısır ve maintainer bitkilerinin bulunması için harcanan zamanı önemli derecede azaltmaktadır. Biz bu metodu kullanarak diğer soğan çeşitleri yanında Türk lokal çeşitlerinin sitoplazma durumunu inceledik ve bir çoğunda kısırlık sitoplazması bulmanın mümkün olduğunu tespit ettik (Tab.6) (Engelke et al. 2003). Şekil 8: CMS1 spesifik 18 kDa proteini (Kaynak: Potz ve Tatlıoğlu 1993) S  ekil 9: S1 sitoplazmasının 762 bp lik (baz çiftlik) marker fragmentinin sekvensleri ve ihtiva ettiği putative orf 501 (Kaynak: Engelke ve Tatlıoğlu 2002) Tab.6: Sitoplazma tiplerinin bazı F1 Hibritlerinde ve açık döllenen çeşitlerde dağılımı  (tespit şekli: 5’-cob ve orfA501 markerlerinin mukayesesi ) Kaynak: Engelke at al. 2003 5. Cinsiyet kalıtımı Çift eşeyli değil de tek eşeyli çiçek üreten monösist (erkek ve dişi çiçekler aynı bitki üzerinde) veya diösist (erkek ve dişi çiçekleri farklı bitkiler üzerinde) bitki türlerinde Hibrit ıslahında cinsiyet kalıtımından faydalanılmaktadır. Diösist bitki türlerine örnek olarak ıspanak (Spincia oleracea L) ve kuşkonmaz bitkisini (Asparagus officinalis L.) monösist bitki türlerine örnek olarak hıyar (Cucumis sativus L.) bitkisini gösterebiliriz. Zamanımızın kıtlığı bakımından konuşmamın bu bölümünde bu üç bitki türü içerisinde sadece ülkemiz için iktisadi önem bakımından en mühimi olan hıyar bitkisinde cinsiyet kalıtımının Hibrit ıslahında kullanılmasından bahsedeceğim (Kuşkonmaz ve Ispanak konusunda ek bilgi için bak: Tatlıoğlu 1991). 5.1. Hıyar bitkisinde cinsiyet kalıtımı ve Hibrit ıslahında kullanılması H  ıyar esasen (menşe itibariyle) monösist bir bitki türüdür. Yani tek eşeyli çiçekler üretir ve erkek ve dişi çiçekler aynı bitki üzerindedir. Monösist bir hıyar bitkisinde önce erkek çiçekler (erkek faz) sonra erkek ve dişi çiçekler karışık olarak (karışık faz) sonrada sırf dişi çiçekler (dişi faz) teşekkül eder. Menşei farklı olan hıyar materyali arasında yapılan melezlemelerden çift eşeyli (hermafrodit) çiçek üreten hıyar bitkileri de üretilmiştir. Dolayısıyla hıyarda erkek, dişi ve hermafrodit olmak üzere üç çiçek tipi mevcuttur (Sekil 10). Bu çiçek tiplerinin bitkiler üzerinde farklı şekilde dağılmasından hıyarda çeşitli cinsiyet tipleri oluşmaktadır: dişi bitkiler (ginösist, sade dişi çiçek), erkek bitkiler (andrösist, sade erkek çiçek), monosist bitkiler (erkek ve dişi çiçekler aynı bitki üzerinde), hermafrodit bitkiler (sadece çift eşeyli çiçekler) ve adromonösist bitkiler (çift eşeyli ve erkek çiçekler aynı bitki üzerinde). Hıyar bitkisinde cinsiyet kalıtımı genelde 3 major gen (ana gen) vasıtasıyla, F/f, M/m ve A/a, kontrol edilmektedir (Sekil 11, Tatlıoğlu 1993b). Sekil 10: Hıyar bitkisinde çiçek tipleri (Kaynak: Çağırıcı 2004)  Şekil 11: Hıyar (Cucumis sativus L.) bitkisinde cinsiyet kalıtımının genetik kontrolü (Kaynak: Modifiye edilmiş şekliyle, Tatlıoğlu 1993b) Dominant F geni, etkisini dişiliği teşvik etmek şeklinde bütün bitki üzerinde göstermekte, erkek ve karışık fazların atlanarak dişi çiçek safhasının başlamasını sağlamaktadır. Dominant M geni etkisini tek çiçek üzerinde göstermekte ve temelde çift eşeyli olan bir çiçeğin erkek çiçek organlarının gelişmesini önlemektedir. Dominant F geninin A/a geni üzerinde epistatik etkisi vardır, yani A/a geni ancak resesif f geni mevcut olduğunda etkisini gösterebilmekte ve bu durumda dominant olduğu zaman monösist veya andromonösist bitkilerin oluşmasını ve resesif olduğu zamanda andrösist bitkilerin oluşmasını sağlamaktadır. Dolayısıyla çeşitli cinsiyet tiplerinin genetik konstitüsyonlarını şu şekilde yazabiliriz: M-F--- = ginösist, M-ffA- = monösist, mmF- -- = hermafrodit, mmffA- = andromonösist, M-ffaa ve mmffaa = andrösist (reviewed: Tatlıoğlu 1983, Perl-Treves 1999). M geni m geni üzerine tam dominanttır. F geni f geni üzerine ise tam dominant değildir. Dolayısıyla M-Ff-- genotipleri M-FF-- genotiplerine kıyasla çevre etkilerine bağlı olarak bir miktar erkek çiçek teşekkül ettirebilirler ve bu durumda subginösist diye isimlendirilirler. Bu üç major gen yanında hıyar bitkisinin cinsiyet ekspresyonunda bazı minör genler, çevre koşulları, bazı kimyasallar ve bitki hormonlarıda rol oynamaktadır. Etephon (2-chloroethylphosphonic asidi), auxin, kısa gün uzunluğu ve düşük ısı dişiliği buna karşılık etilen etkisini önleyen AgNO3, aminoethoxyvinil-glicine (AVG) ve gibberelinler erkekliği teşvik etmektedir (reviewed: Malepszy and Niemirowicz-Szczytt 1991, Perl-Treves 1999). Bitki hormonu etilen daha direkt bir şekilde cinsiyet ekspresyonunu etkilemekte ve hıyar bitkisinin en mühim cinsiyet hormonu olarak kabul edilmektedir. Yin ve Quinn (1995) etilenin hıyarda cinsiyet hormonu olduğunu ve etilenin iki farklı reseptörü (biri erkekliği önleyen, diğeri dişiliği başlatan) etkilediğini kabul ederek dört cinsiyet tipinin (ginösist, monösist, hermafrodit ve andromonösist) meydana gelişini tek hormon hipotezi ile izah edebilmişlerdir. Meyveyi dişi çiçekler teşekkül ettirdiğinden bir hıyar bitkisinde dişi çiçek sayısı ne kadar fazla ise o bitkinin verim kapasitesi o kadar yüksektir. Ayrıca hıyarda döllenmeden meyve bağlama özelliği olan parthenokarpi özelliği mevcuttur. Dolayısıyla hıyar ıslahında hedef sırf dişi çiçek üreten çeşitlerin (ginösist) ıslahıdır. Sırf dişi çiçek üreten bitkilerden oluşan bir çeşidin üretilmesi ya ginösist (MMFF--) x ginösist (MMFF--) melezlemeleriyle veya ginözist (MMFF--) x hermafrodit (mmFF--) melezlemeleriyle mümkündür. Baba hattın hermafrodit olması, hermafrodit çiçekler şekli yuvarlak olan meyveler ürettiklerinden(Sekil 10) ve bu yüzden baba hattın meyve kalitesinin tespiti mümkün olmadığından (ilave test melezlemeleri gerekmektedir) pek arzu edilmez. Dolayısıyla hedef “dişi x dişi” melezlemelerine dayanan Hibrit çeşitlerin ıslahıdır. Bu gün piyasaya hakim olan bütün çeşitlerin bu yoldan ıslah edildiğini söyleyebiliriz. Bu işlemde baba hat olarak kullanılan hat da normalde sırf dişi çiçek üretmektedir. Baba hattın tohum üretimi esnasında geçici olarak erkek çiçek üretmesi baba hattın belli bir gelişme devresinde AgNO3 (gümüş nitrat) çözeltisiyle muamele edilmesi sayesinde sağlanır. 5.2. Hıyar bitkisinde cinsiyet kalıtımı araştırmaları F/f geninin isolasyonu Hıyar bitkisinde cinsiyet kalıtımını hem klasik bakımdan hem de moleküler olarak inceleyebilmek için Hannover Üniversitesi Tatbiki Genetik bölümünde 1979 yılında, geri melezleme yöntemiyle üç farklı genetik back-ground da (genetik bakımdan farklı grupta) isogen ginösist, hermafrodit ve monosist hatların ıslahı işlemine başlanmıştır (Tatlıoğlu 1983). Bu materyale dayanarak yaptığımız moleküler genetik araştırmalar neticesinde etilen biyosentezinde anahtar enzim rolü oynayan ACC synthase (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid) sentezinden sorumlu sekvenslerin ginösist genotiplerde ikinci bir kopyası (CsACSIG) olduğunu ispat edebildik (Mibus ve Tatlıoğlu 2004). Ayrıca bizim bitki materyalimizde F/f-lokusuyla CsACSIG sekvensleri arasında bir bağlantı olduğu da ispatlanabildi. Buna ilave yaptığımız çalışmalarda adı geçen sekveslerin birinci kopyasının (CsACS1 geni, Trebitsch et al. 1997) ve ikinci kopyasının (CsACSIG geni) promoter bölümünün amplifikasyonu ve sekveslerinin tespiti yapıldı. Nihayet ginösist (MMFF) ve subginösist (MMFf) genotiplerle yaptığımız özel bir amplifikasyon neticesinde izole ettiğimiz genin dominant F alleli olduğunu gösterebildik (Sekil 12). Ayrıca ilk defa nucleotit şeker epimeraze (nucleotide sugar epimerase) genine homolog bir cDNA izole ettik. Bu izole ettiğimiz muhtemelen nucleotit şeker epimeraze geninin expresyonunun dişi çiçeklerin tomurcuklarında çok düşük buna karşılık çift eşeyli ve erkek çiçeklerin tomurcuklarında çok yüksek olduğunu ispat ettik (Şekil 13, Terefe ve Tatlıoğlu 2005). Dolayısıyla bu genin dişi çiçeklerdeki ekspresyon zayıflığının, dişi çiçeklerde erkek organların (stamen) gelişmesinin engellenmesine sebep olduğu söylenebilir. S  ekil 12: CsACSIG geninin 5’ ucunun spesifik amplifikasyonu ve F geninin ispatı. WrD, ECD, ED: üç farklı genetik back-ground (Kaynak: Mibus ve Tatlıoğlu 2004)  Sekil 13: İzole edilen nükleotid şeker epimeraz geninin dişi ve hermafrodit bitkilerin çiçek tomurcukları (solda) ve yapraklarında semi kantitatif RT-PCR metodu ile analizi Ok 1: nükleotid şeker epimeraz (315 bp) Ok 2: kontrol olarak actin (167 bp)
Kendine uyuşmazlık lahanagillerde Hibrit ıslahında kullanılmaktadır (Sekil 16). Bu sistem, bitkiler C02 gazına, yüksek ısıya tabi tutulduklarında veya NaCl çözeltisiyle muamele edildiklerinde veya çiçek daha tomurcuk safhasında ise geçerli değildir (Pseudofertility). Bundan faydalanılarak (lahanagillerde genelde tomurcuk safhasında kendi polenleriyle dölleme) kendilenmiş ve uyuşmazlık allellerini homozigot ihtiva eden hatlar elde edilir. Kendilenmiş hatların uyuşmazlık allelleri bakımından homozigot olup olmadıkları allel konstitüsyonu belli olan hatlarla melezlenerek tespit edilir. Genel kombinasyon özelliğinin tespitinden ve en iyi hatların seçiminden sonra lahanagillerde genelde double cross hybrids (çift melez Hibritleri) üretilir. Son melezlemede kullanılan her iki hattan da tohum hasat edilir. Almanya’da bütün lahana türlerinde brokoli ve Çin lahanası hariç mevcut çeşitlerin takriben yüzde doksanı, kendine uyuşmazlık sisteminden faydalanılarak ıslah edilmiş Hibrit çeşitlerdir.
Ordon F., Friedt, W. 1998: Von Mendel zum Gentransfer, Verlag Th Mann, Gelsenkirchen Mibus, H. ve Tatlıoğlu, T. 2004: Molocular characterization and isolation of the F/f gene for femaleness in cucumber (Cucumis sativus L.). Theor Appl Genet 109, 1669-1676 Perl-Treves 1999: Male to female conversion along the cucumber shoot: approaches to studying sex genes and floral development in Cucumis sativus. In: Ainsworth CC (ed) Sex determination in plants. BIOS Scientic Publisher, Oxford, pp 189-216 Potz, H., Tatlıoğlu, T. 1993: Molecular analysis of cytoplasmic male sterility in chives (Allium schoenoprasum L.). Theor Appl Genet 87, 439-445 Schnell, F.W. 1982: A synoptic study of the methods and categories of plant bredding, Z. Pflanzenzüchtung 89, 1-18 Tatlıoğlu, T. 1982: Cytoplasmic male steriliry in chives (Allium schoenoprasum L.), Z. Pflanzenzüchtg 89, 251-262 Tatlıoğlu, T. 1983: Einfluß des Geschlechts des männlichen Hybridelters auf die Konstanz der Weiblichkeit der F1-Haybriden bei Einlegegurken (Cucumis sativus L.). Z. Pflanzenzücht. 91, 140-153 Tatlıoğlu, T. 1985: Influence of temperature on the expression of cytoplasmic male sterility in chives (Allium schoenoprasum L.). Z.Pflanzenzücht. 94, 156-161 Tatlıoğlu, T. 1986: Influence of tetracycline on the expression of cytoplasmic male sterility(cms) in chives (Allium schoenoprasum L.). Z.Pflanzenzücht. Plant Breed 97, 46-55 Tatlıoğlu, T. 1987: genetic control of temterature-sensitivity of cytoplasmic male sterility (cms) in chives (Allium schoenoprasum L.) Plant Breed 99, 65-76 Tatlıoğlu, T., Wricke G. 1988: genetic control of tetracycline-sensitivity of cytoplasmic male sterility (cms) in chives (Allium schoenoprasum L.). Plant Breed 100, 34-40 Tatlıoğlu 1991: Sex Inheritance and its Consequences for Plant Breeding, In Kuckuck H., Kobabe G., Wenzel G.(eds.): Fundamentals of Plant Breeding, Springer-Verlag, Berlin, pp 122-128 Tatlıoğlu 1993a: Chive Allium schoenoprasum L. In: Kalloo, G. and Bergh, B.O.(eds.), Genetic Improvement of Vegetable Crops, Pergamon Press, Oxford, New York, pp3-13 Tatlıoğlu 1993b: Cucumber, In: Kalloo, G. and Bergh, B.O.(eds.), Genetic Improvement of Vegetable Crops, Pergamon Press, Oxford, New York, pp197-234 Terefe, D. ve Tatlıoğlu, T. 2005: Isolation of a partial sequence of a putative nucleotide sugar epimerase, which may involve in stamen development in cucumber (Cucumis sativus L.). Theor Appl Genet 111:1300-1307 Trebitsh, T. Staub, J.E. ve O’neill, S.D. 1997: Identification of a 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase gene linked to the female (F) locus that enhances female sex expression in cucumber. Plant Physiol. 113, 987-995 Wricke,G., Weber, W.E. 1986: Quantitative genetics and selektion in plant breeding, de Gruyter, Berlin Yin, T. ve Quinn, J.A. 1995: Tests of mechanistic model of one hormone regulating both sexes in Cucumis sativus (Cucurbitaceae). Am.J.Bot. 82, 1537-1546 Prof. Dr. Turan Tatlıoğlu TURTAT Tohum Islah Ltd. Şti. Susurluk
turantatlioglu@yahoo.com Yüklə 101,95 Kb. Dostları ilə paylaş:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
