Biyoteknoloji terimi 1919 yılında Macar mühendis Karl Erekly tarafından literatüre sokulmuştur. Fakat, biyoteknoloji uygulamaları çok daha eskilere dayanmaktadır. Peynir, yoğurt, sirke, alkol, şarap, bira üretimi ilk biyoteknoloji uygulamaları olarak kabul edilmektedir. Bu terimle, günümüzde ticari değeri yüksek ürünler oluşturacak organizmaların meydana getirilmesi için genetik yöntemlerin kullanılması anlaşılmaktadır. Son zamanlarda Recombinant DNA* teknolojisinin gelişmesiyle birlikte biyoteknolojinin bir alt disiplini olan genetik mühendisliği ön plana çıkmaya başlamıştır. Bu mühendislik ile farklı canlı türleri arasında gen transferi mümkün hale gelmiş, bu sayede mevcut türlere, daha önce taşımadığı özelliklerin kazandırılması imkanı doğmuştur. Bu teknolojinin kullanıldığı alanlardan bazıları şunlardır;
· Zararlılara karşı direnç sağlayan genlerin bitkilere transferi,
· Bitkilere tuzluluk ve herbisitlere dayanıklılığı sağlayan genlerin transferi,
· Bakterilere toksik atıkları temizleme özelliği kazandıran genlerin ilavesi,
· Ürünlerin kalite ve veriminin arttırılması, vs.
Genetik mühendisliği; istenen özellikte organizma oluşturmak amacıyla, yaşayan bir hücrenin genetik yapısını, onun doğal olarak ürettiği maddeyi daha fazla (ya da daha az) üretmesini, veya tümüyle farklı işlevler görmesini sağlamak amacıyla değiştirmekte kullanılan teknolojik uygulamalardır. Bu teknoloji öncelikle ekonomik bakımdan önemli organizmaların ve onların özelliklerinin geliştirilmesi için uygulanmaktadır.
Bu teknolojinin doğuşu ve gelişmesi şu şekilde olmuştur:
Danimarkalı biyolog William Johansen 1911 yılında Genotip ve Fenotip ayırımını fark ederek genlerin varlığına işaret etti. 30 yıl sonra 1944 yılında Rockefeller Enstitüsünde Oswald Avery ve arkadaşları genlerin DNA’lardan oluştuğunu kanıtladılar. Genetik mühendisliğinin gelişmesinde en büyük adımlardan birisi de 1953 yılında James Watson ve Francis Crick ‘in DNA’nın çift sarmal yapısını keşfetmesi oldu. Bundan sonraki gelişmeler sırasıyla şöyle olmuştur (ÖNER 2002);
Rekombinant DNA teknolojisi, gen klonlaması, DNA klonlaması, genetik manipülasyon ve en yaygını olarak genetik mühendisliği çoğunlukla eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Genetik mühendisliğince yürütülen çalışmalar şu aşamalardan geçmiştir;
a- Gen İzolasyonu: İstenen geni taşıyan DNA parçalarının elde edilmesidir. Bu amaçla kullanılan yöntemlerden birisi, enzimler kullanılarak izole edilip, saflaştırılmış DNA moleküllerini zincir yapısını bozmadan parçalamaktır. Kullanılan enzimler DNA molekülündeki özel nükleotid dizilerini tanır ve orada kesim[4] yaparlar.
b- Rekombinant DNA moleküllerinin oluşturulması: İzole edilen geni taşıyan DNA parçalarının çoğaltılmasını sağlamak için onlara taşıyıcılık görevi yapacak uygun DNA moleküllerine bağlanmasıyla elde edilen moleküllere recombinant DNA adı verilmektedir. Geni taşıyan DNA molekülleri virüs DNA’ları, taşıyıcı bakteri plasmidleridir ( Şekil 1).
c- Uygun bir hücreye sokulma: Recombinant DNA moleküllerinin konukçu hücreye sokulması için virüsler, libozomlar (ince yağ molekülleri) kullanılmaktadır. Son yıllarda genin konukçu hücre içine çok ince iğne ile enjekte edilmesi yöntemi de başarıyla uygulanmaktadır.
d- Çoğaltılan genlerin seleksiyonu: Konukçu hücrede istenilen genin çok sayıda kopyası oluşturulduktan sonra bu genlerin izole edilebilmesi için daha önceden işaretlenmiş genler kullanılmaktadır. Belirlenen genler enzimler yardımıyla yabancı genlerden ayrılarak, saf olarak elde edilir. Bu işlemlerin sonucunda gen bankaları oluşturulur.
Bütün dünyada zararlılarla mücadele için toplam $ 30 milyar’lık herbisit, insektisit ve fungisit üretilmekte ve kullanılmaktadır. Kimyasal mücadele yerini artan bir hızla çevreyi koruyucu, biyolojik mücadele yöntemlerine bırakmaktadır. Tabiatta oluşan virüsler ve özel biyolojik mücadele etmenleri, üstünlük sağlayan yeni özelliklerin ilavesiyle değer kazanmaktadır. Genetik mühendisliğinin imkanlarıyla biyokontrol etmenlerinin gelişmesi, zararlılarla biyoteknolojik mücadelenin ayırdedici özelliğidir (RETNAKARAN 2002).
Ormancılıkta zararlılarla mücadele programları üç ana grup zararlıyı hedeflemektedir. Bunlar; patojenik mikroorganizmalar, istenmeyen vejetasyon örtüsü ve zararlı böceklerdir. Eskiden beri; kimyasal fungisit, herbisit ve insektisitlerle zararlılar kontrol altında tutulmaya çalışılmıştır. Mücadelede kullanılan maddelerin çevrede hedef olmayan canlılara zararlı etkileri, çevreye zarar vermeyen alternatif metotlar arayışına sebep olmuştur.
Parazit, predatör ve patojen mikroorganizmalar, zararlı orman böceklerine karşı, çevreye güvenli biyolojik mücadele elamanları olarak kullanılmaktadır. Mikroorganizmaların sebep olduğu ağaç hastalıklarıyla mücadelede eskiden beri dayanıklı varyeteleri seçme işleminden de yararlanılmaktadır. Biyoteknolojinin uygulanmaya başlamasıyla sadece böcekler için değil, hastalık sebebi organizmalar ve istenmeyen vejetasyon örtüsüne karşı da ağaçları korumada yararlanılacak çeşitli tercihler ortaya çıkmıştır.
Daha geniş anlamıyla ağaçların dayanıklı varyetelerinin seçimi ve biyolojik mücadele etmenlerinin kullanılması biyoteknoloji tanımına dahil edilebilir. Fakat alt disiplinlerden genetik mühendisliği yönüyle bakıldığında sayısız imkanlar ortaya çıkar. Temel olarak rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak biyolojik mücadele elamanlarını geliştirmeyi kapsamaktadır. Yani kullanım amacına uygun genlerin istenilen mikroorganizma, bitki veya böceklere aktarılmasıyla bitkilerin daha dayanıklı, zararlılarla mücadelede kullanılacak doğal düşmanlarında daha etkili ve olumsuz çevre şartlarına karşı daha dayanıklı olmaları sağlanabilmektedir (AKBULUT 2001).
Hastalıkların kavak üretimini sınırlayıcı en büyük faktörlerden biri olduğu bilinmektedir. Kavaklar birçok patojene karşı hassastır ve kavak yetiştiriciliğinin artmasına paralel olarak zararlı patojenler de önem kazanmaktadır. Bu patojenlerden pas mantarları çok yaygın olup, kavak yetiştiriciliğini tehdit eden en önemli amillerdendir. Pas mantarlarıyla mücadelede dayanıklı konukçu bulunup yetiştirilmesi en yaygın ve ekonomik mücadele metodu olarak kabul edilmektedir. Bir yöre için yabancı sayılan kavak türlerinin genellikle yerli patojenlere karşı dayanıklı oldukları gözlenmiştir. Bu dayanıklılık tür içi çaprazlamalarla yeni bireylere de geçmektedir. Bu özeliklerden yararlanarak tür içi ve türler arası çaprazlamalarla hem verimli hem de hastalıklara dayanıklı fertler elde edilmektedir.
Genetik mühendisliğinin gelişmesine paralel olarak gelişen genetik analiz metotlarıyla hastalıklara dayanıklı ırkların gen haritalaması yapılabilmekte ve dayanıklılık genleri belirlenebilmektedir. Örneğin; Melampsora larici-populina hastalığının E1, E2, E3 ırklarına karşı dayanıklılık genleri ile Melampsora medusa’ya karşı dayanıklılık için Mmd1 geninin, gen haritaları elde edilmiştir. Mmd1 geninin izole edilerek hassas genotiplere aktarılmasına yönelik çalışmalar devam etmektedir (NEWCOMBE 1996) .
Bundan başka bakteri ve virüslerin sebep olduğu hastalıklara karşı dayanıklılığı sağlamaya yönelik çalışmalar da devam etmektedir (CHAREST 1995).
Böcek zararları birçok yörede kavak plantasyonlarının sağlığını tehdit eden ve verimliliğini kısıtlayan önemli faktördür. Günümüzde de geçerli olan başlıca mücadele metodu dayanıklı genotiplerin bulunmasından ziyade pestisitlerin kullanılmasıdır. Recombinant DNA teknolojisi kullanarak bitkiler zararlılara daha dayanıklı hale getirildiği gibi, doğal düşmanların (parazit, predatör böcekler, bakteri, virüs, mantar, nemotod) hedef zararlıya karşı etkinliği arttırılmaktadır. Genomlarının iyi anlaşılması, genleri üzerinde değişikliklerin daha kolay yapılabildiğinden çalışmalar daha çok bakteri ve virüsler üzerinde yoğunlaşmıştır. Elde edilen ürünler biyopestisit olarak adlandırılmaktadır. Üzerinde en fazla çalışılan bakteriyel pestisit Bacillus thuringiensis’tir. Baterinin sporlanma sırasında ürettiği kristal proteinler böceklerde zehir etkisi göstermektedir. Dünyada piyasadaki biyopestisitlerin %90’ını oluşturmaktadır (AKBULUT 2001). Bt[5] zehir yapısındaki benzerlikler ve farklı böcek türlerine etkili oluşuyla 4 ana gruba ayrılır.
a- Cry- I- Lepidoptera’lara,
b- Cry- II- Lepidoptera ve Diptera’lara,
c- Cry- III- Coleoptera türlerine
d- Cry -IV- Diptera türlerine karşı etkilidir.
Bu dört ana grubun etkinliği birbirinden kesin sınırlarla ayrılmaz. Örneğin Cry -I B geni hem Coleopter hem de Lepidoptera’lara karşı etkilidir (ELLIS ve RAFFA 1997). Virüsler de aynı şekilde böceklere karşı mücadelede kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalarla uygun yabancı genlerin baculovirüs[6] genomu içine yerleştirilerek kullanımı güvenli, zararlılara karşı son derece etkili ürünler elde edilmektedir. Baculovirüs kullanımının avantajlarından biri de konukçuya özel olması, çevreye zararlı etkisinin çok az olmasıdır .
Bitkileri böceklere karşı koruyabilecek bir proteinin sentezini sağlayan gen bir bakteriden bitkiye nakledilebilmektedir. Böylece ilaçlamaya gerek kalmadan bitkinin yaprağını veya diğer kısımlarını yiyen böceğin ölmesi veya yememesi sağlanmaktadır. Bu konuda günümüzde en fazla Bacillus thuringiensis bakterisinin zehir etkisi olan kristal protein oluşturan genlerinden yararlanılmaktadır. Kavak yaprak böceği (Chrysomela stripta) ABD’de en önemli kavak zararlısı olup, kavak ve söğüt yetiştiriciliğini sınırlayıcı bir faktör olarak kabul edilmektedir.Biyolojik insektisit olarak kullanılan Basillus thuringiensis bakterisinin etkin maddesi olan Cry-III toksinini oluşturan gen kavaklara nakledildiğinde C. Stripta’ya karşı hayli etkili olduğu görülmüştür (STRAUS et. al. 1998).
Fransa’da P. tremula X P. tremuloides hibrit klonuna CryIII A geni transfer edilerek yapılan denemelerde Crysomela tremula gibi yaprak böceği Coleoptera’lara karşı etkili olduğu belirlenmiştir. Çok sayıda farklı konukçuya arız olmalarıyla önemli zararlara sebep olan Lepidoptera yaprak zararlılarının çoğu Cry-1 A toksinine karşı hassastırlar (ELLIS ve RAFFA 1997).
Zarar yaptıkları yere pestisitlerin ulaştırılmasındaki zorluklar sebebiyle önemli zararlar yapan bazı odun zararlısı böceklere karşı gen naklinin kullanımı önemli bir mücadele yöntemi olabilir. Doğal meşcerelerde böcek zararları, kavakların yeniden sürgün verme kabiliyeti sebebiyle çok seyrek olarak tamamıyla ölümle sonuçlanır. Bu yüzden böceklere dayanıklı transgenik ağaçların çoğaltılmasıyla kurulacak meşcerelerin artmasının oldukça yavaş olması beklenmektedir. Coleopter ve Lepidopterlere karşı aktif Bt geni taşıyan transgenik kavaklar ile kurulan arazi denemeleri Çin, Fransa ve ABD’de yürütülmektedir. Böceklere karşı mukavemeti sağlayan Bt’den başka alternatif transgenlerle ilgili çalışmalar ise sınırlıdır.
Kavak plantasyonunun ilk yıllarında diri örtü ile mücadele yüksek oranlı yaşama yüzdesi ve ağaç gelişimi için gereklidir. Ayrıca rüzgar perdesi, dere ve akarsu kenarlarında dikilmiş kavakların bitişikteki zirai ürünlerde yabani ot mücadelesi için kullanılan herbisitlerden zarar görmemesi için mukavim fertlerin gen nakli yoluyla elde edilip kullanılması çalışmaları yapılmaktadır. Herbisitlere karşı dayanıklılık, bitki veya bakterilerin zehir etkisini giderici enzimlerinin, bitki bünyesine aktarılmasıyla elde edilir. Yapılan denemelerde transgenik kavakların en çok kullanılan maddeler olan glyphosate ve chlorsulfuron’a karşı arazi şartlarında önemli oranda mukavemet gösterdiği belirlenmiştir (CHAREST 1995).
Orman ağaçlarının hava kirliliğinin sonucu olan kirletici maddeleri absorbe etme ve zehirli maddeleri etkisiz hale getirme yetenekleri mevcuttur. Fakat başka türden zararlı kirleticilere ve diğer olumsuz çevre şartlarına karşı dayanıklılıkları yeterli değildir. Çevreyi doğal şekliyle muhafaza etmenin etkili bir yolu orman ağaçlarını hava kirleticileri ve diğer çevre baskılarına karşı dayanıklılığının geliştirilmesidir. Hava kirliliğine mukavim bireyler elde etmeye yönelik çalışmaların yanı sıra ağır metallere, dona ve kuraklığa mukavim bireyler elde etmeye yönelik araştırmalar sürdürülmektedir (CHAREST 1995, ELLIS ve RAFFA 1997).
Biyoteknolojideki gelişmeler, zararlılarla mücadelede yepyeni imkanlar ortaya çıkarmıştır. Ancak transgenik bitkilerin tabiatta doğal olarak bulunan türlerine ait olmayan genleri taşıdıklarından bazı önemli tereddütleri de getirmektedirler. Transgenik bitkilerin bulundukları çevredeki doğal türle tozlaşması sonucu genetik çeşitliliğin kaybına sebep olabileceği, zararlı böceklerin biyo pestisitlere veya transgenik bitkilere bağışıklık kazanmaları, yeni zararlı türlerinin ortaya çıkması ihtimalleridir. Bu tereddütlerin giderilmesi yapılacak araştırmaların yanısıra uygulama sonuçlarının görülmesiyle olabilecektir.
AKBULUT S. 2001: Zararlıların ve Bitki Hastalıklarının Kontrolünde Biyoteknoloji Kullanımı ile İlgili Düşünceler. İ.Ü. Orman Fakültesi Dergisi, B-49, Sayı 1,2,3,4, İstanbul, s.131-138.
CHAREST, P.J. 1995: Genetic Engineering of Tree Species: The Canadian Experience. Petawawa National Forestry Institute, http://www.nbiap.vt.edu/brarg/brasym95/charest95.htm
ELLIS, D.D., RAFFA, K.F. 1997: Expression of Transgenic Basillus thuringiensis delta endotoxin in Poplar. Micropropagation,Genetic Engineering, and Moleculer Biology of Populus, Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station, Fort Collins, Colorado, 1997, 178-186.
NEWCOMBE G. 1996: The specificity of fungal pathogens of Populus. In Biology of Populus and its implications for management and conservation, eds. RF Stettler, HD Bradshaw Jr, PE Heilman, and TM Hinckley, 223-246. National Research Council of Canada. Ottawa, ON: NRC Research Press.
ÖNER R. 2002: Genetik Mühendisliği Nedir? http://yunus.hacettepe.edu.tr/~roner/GEN/02/genetik.htm
RETNAKARAN, A. 2002: Pest Management Biotechnology. Great lake Forestry Centre- Canadian Forest Service.
www.glfc.forestry.ca/science/research/biotech_e.html
STRAUSS, SH., MEILAN, R., DIFAZIO, S., MOHAMED, R., BRUNNER, A., LEONARDI, S., SKINNER, J., and KRUTOVSKII, K.. 1998: Tree Genetic Engineering Research Cooperative (TGERC) Annual Report: 1997-1998. Forest Research Laboratory, Oregon State University, Corvallis.
* Farklı organizmalardan ya da insan elinin ürünü olan bir DNA'dan alınan DNA parçalarının tüpte birleştirilmeleriyle oluşan ''melez'' DNA; doğada bulunmayan bir canlı türünün oluşmasına yol açabilen yapay genetik malzeme.
[1] DNA polimeraz: DNA yapan enzim
[2] DNA ligaz: DNA moleküllerinin bağlanmasını sağlayan enzim.
[3] restriksiyon endonükleaz: DNA'daki özel tanınma dizilerine bağlı olarak DNA'yı kesen enzim.
[4]Gen kesme: DNA molekülünün (ya da moleküllerinin) kesilip sonra da uçlarının birleştirilmesiyle farklı bölümlerin bir araya getirildiği ya da bazı bölümlerinin uzaklaştırıldığı genetik materyal modifikasyonu.
[5] Bacillus thuringiensis
[6] Baculovirüs: Böceklere öldürücü etkisi olan virüsler.
