BİTKİ ISLAHI Çaprazlama sonucu ortaya çıkan çeşitlerden arzu edilenlerin seçilmesini sağlama Binlerce gene dayalı değişim Özelliklerin genetik altyapılarını tespit etme İstenilen miktarda genin aynı bitkide toplanmasını sağlama (Mendel) Genetik kuralları İstatistiki yöntemler Biyoteknoloji (Moleküler Biyoloji) çoğunlukla şarttır

GİRİŞ “Ülke için en önemli hizmet -> faydalı bitki çeşidi” Bir ABD başkanı? Modern tarımsal üretkenliğin üçe katlanması (Hoisington, 1999) Yiyecek, meyve, dayanıklı kumaş, güzel kokulu gül … Hepsi seçile seçile (ıslah ile) elde edilmiş Gelecekte uzun (kaliteli) yaşama? Üst düzey öğrenme / uygulama deneyim ve becerisi Üniversiteler ve tarım kuruluşları ihtiyaca rağmen azlıktan endişeli Kitaptaki biyoteknolojik kavramlar yeni veya inovasyon

GİRİŞ En önemli ilerleme Hastalıklardan etkilenmeyen, tadı iyi besleyici olan bitkilerin üretilmesi olmalı Binlerce genin arasından aşamalı kombinasyon oluşturma Klasik ıslah ve moleküler biyoloji birlikte olmalı Nikolai Vavilov: İnsan tarafından yönetilen genetik çeşitlilik Suni seçilim

GİRİŞ Sanat ve bilim Analoji Bölüm 3 Buluş ve uygulamaya yönelik yetenek Sonuca ulaşabilmek için birden fazla yol Zamanı ve kaynakları en iyi kullanma Literatür bilgisi Arazide doğru çeşit teşhis ve tespiti Analoji İyi bitki <--> sevdiğimiz şarkı Çok sayıda karakter  toplamda kabul görme Beğenme oranı kişiden kişiye / toplumdan topluma Bölüm 3 Temel kavramlar Genetik stratejiler (Bitkiye özel stratejiler kaynaklarda)

3.2. TEMEL KONULAR Basit ya da karmaşık kalıtım Basit kalıtım Mendel Genetiği, Karmaşık kalıtım Eksik/eş baskınlık, cinsiyet, epistas vb… Çoklu faktörler

AA, bb (6 kg) aa, BB (6 kg) X Aa, Bb (6 kg) Kendine tozlaşma 4 kg: aa, bb 5 kg: Aa, bb (x2) aa, Bb (x2) 6 kg: Aa, Bb (x4) AA, bb aa, BB 7 kg: Aa, BB (x2) AA, Bb (x2) 8 kg: AA, BB Şekil 3.1

3.2. TEMEL KONULAR Fenotip Genotip İlişkisi P = G + E P = ∑G + E VP= VG + VE H = VG / VP

3.2. TEMEL KONULAR Üreme sistemleri, Çeşitler, Yerel Çeşitler ve Saf Irklar Tür -> Alt tür /varyete -> Çeşit (kültivar) (hayvanlarda “ırk”, mikroorganizmalarda “suş”) Çeşit özellikleri devamlılığı üreme sistemi kendine tozlaşan, dışardan tozlaşan, her ikisi de Hardy-Weinberg Yasası AA: Aa: aa = p2 + 2pq + q2

Kendilenen nesil Genotip oranı AA x aa Heterozigotluk F1 Aa 0:1:0 100% 1:2:1 50% F3 aa Aa AA 3:2:3 25% In repeated self pollination with no selection, the level of heterozygosity is reduced by one half with each selfing generation. This is because only half of the progeny from the heterozygous genotypes will still be heterozygous, while all of the progeny from homozygous genotypes will be homozygous. Thus, the population gradually approaches complete homozygosity, but with a mixture of homozygous genotypes. F4 aa Aa AA 7:2:7 12.5 % F4 aa Aa AA 15:2:15 6.25 % Şekil 3.2

3.2. TEMEL KONULAR Phomo = 1 – ½(X-1) (Tek lokus) Phomo : homozigotluk oranı X : Nesil sayısı örnek: 4 nesil = 1 – ½(4-1) = 1 – (0.5 x 3) = 1 – 1.5 = - 0.5

3.2. TEMEL KONULAR Nesil Heterozigotluk oranı 1 100 2 50 3 25 4 12.5 1 100 2 50 3 25 4 12.5 5 6.25 100-6.25 = 93.75 ~%94

3.2. TEMEL KONULAR “saf seri”, arısoy, saf çeşit homozigottan seçilmiş aleller ve fenotip sabit daha fazla seçime gerek yok Johannsen’in saf seri teorisi homo ve hetero’lardan saf seri geliştirilmesi

(a) (b) (c) (d) Şekil 3.3 Frekans Development of pure lines from a mixture of homozygous, heterogeneous beans. Panels (a) through (d) show histograms representing the frequency of different bean sizes in various populations. Panel (a) could represent a landrace or a population derived by repeated selfing of progeny from a hybridized plant. Selection of single beans from the original population results in new populations (b) that have different average bean sizes. Further selection within these populations is not effective (panels c and d). In this illustration bean color is a qualitative trait that shows no environmental variation, whereas seed size is a quantitative trait that shows environmental variation. The dark colored beans on the right represent a pure line, and all phenotypic variation for seed size within that line is environmental. A Danish biologist, Wilhelm Johannsen, conducted a similar series of experiments in 1903, and developed what we mow call the Pure Line Theory. (d)

3.2. TEMEL KONULAR Populasyon ve Sayısal Genetikteki Diğer Konular Çok daha fazla gen etkisi? Farklı düzeyde etkiler Çevrenin etkisi Bağlı lokuslar Baskınlık oranı Epistas Sayısal genetik (1980 ortaları başladı) Nicel / Kantitatif / Ölçülebilir Genetik

3.2. TEMEL KONULAR Bitki çeşidinin değeri çok sayıda özelliğe bağlıdır meyve ağırlığı, tat endüstri / tüketici tercihi Mükemmel bir çeşit yoktur ağırlık, şekil, tat, böcek/hastalık direnci Çok sayıda genin analiziyle mümkün sürekli ıslah Çevreye Uyum

Şekil 3.4

3.2. TEMEL KONULAR Bitki ıslahı bir sayılar oyunudur ne kadar çok iyi karakter o kadar iyi çeşit Birbirini etkileyen ve ortaklık gerektiren işlemdir Bütün ıslah süreci dikkate alınmalı En mükemmel çeşit en uzun zaman alan çeşit olur Sistematikçi, ziraatçi ve moleküler biyologlar birlikte çalışmalı

Şekil 3.5. Hibrit mısır veriminin kullanıma sunulduğu yıllara göre dağılımı. 1930 1950 1970 1990 4000 6000 8000 10000 12000 Yıl Dane verimi (kg ha-1)

Şekil 3.6 Islah sürecine bir örnek Nesil Goslin (yulaf çeşidi))

Şekil 3.7. Dokuz kuşak sonucu (1922 – 199x) seçilmiş yulafın ortalama yağ içeriği

3.2. TEMEL KONULAR Çeşitlilik, Adaptasyon ve İdeotip (ideal çeşit) DEĞİŞEN DENGE TERORİSİ (Tepe ve dağlara benzetme) Adaptasyon ve çeşitlilik kısmen rastgele populasyon sürüklenmelerine bağlıdır (teori tatışmalı) 1. Uyum (uygunluk) yüzeyleri Teorik genotipik değer 2. Adaptif zirveler Optimum fenotipi oluşturan genetik koordinatlar Lokal (yerel)  sadece bir çevreye uyumlu Evrensel  her türlü çevreye uyumlu Islahın, populasyonu bir adaptif zirveden diğerine nasıl taşıdığını açıklar (ıslah sürekli zirveye doğru gider) Evrensel zirveye ait genotipler bulmak için geniş bir genotip alanını (çok fazla genotipi/bitkiyi) taramamız lazım

Evrensel Zirve Yerel Zirve Şekil 3.8

3.2. TEMEL KONULAR İdeotip (İdeal tip, çeşit) / Yüzey uyumluluğu Özel bir çevreye bağımlılık Çevre değişince ideotip değeri / yüzeyin şekli değişir Zirai uygulama farklılıkları = Çevre Az verim + gübre = çok verim (gübre = çevre) Farklı ıslahçılar farklı yolları seçerler Daha büyük bir zirvenin olup olmadığına inanma Daha çok ıslah yapıp – yapmama.

3.2. TEMEL KONULAR Diğer düşünceler / Islahta önemli olan diğer konular Poliploidi (2’den çok kromozom durumu ) Karakter / gen takibi zor İstenilen karakterler için oluşturma Otopoliploid aynı tür, Allopoliploid farklı 2 tür Anöploidi (2n + /- 1), Kro mutasyonları (translokasyon, inversiyon, duplikasyon, delesyon) Xenia Polen genlerinin endosperm veya embriyoda ifade edilmesi Tohumlar polenin fenotipi taşırlar ama yeni nesile farklı genotip aktarılır Islahçılar biyolojik çeşitliliğin doğal ve suni populasyonlar (gen kaynakları) oluşturma yollarıyla korunması için önemli bir gruptur. Türler arası gen transferi (dayanıklılık, verim vs.)

3.2. TEMEL KONULAR Diğer düşünceler / Islahta önemli olan diğer konular Erkek kısırlığı ve çeşitli polen kontrol yöntemleri ile hibrid üretimi Islahçılar arası veri paylaşımı bir zorunluluk Git gide yaygınlaşmakta Islahçı istatistik bilmelidir Ekim tasarımları ve sonuçların istatistiki analizleri üzerine devasa literatür vardır Hastalık direnci Islahçı ve zararlı (böcek / mikrop) savaşı Mutasyonla yeni böcek/mikrop Yeni böceğe dayanıklı yeni mutasyon içeren çeşit Hızlı olan kazanır

3.2. TEMEL KONULAR Diğer düşünceler / Islahta önemli olan diğer konular Hastalık direnci Islahçı ve zararlı (böcek / mikrop) savaşı Mutasyonla yeni böcek/mikrop Yeni böceğe dayanıklı yeni mutasyon içeren çeşit Hızlı olan kazanır Islahçı için 2 strateji 1. farklı dirençleri taşıyan çeşitler topluluğu 2. Farklı dirençleri taşıyan tek çeşit oluşturma (Gen pramidi / gen toplama yöntemi).

3.3. ISLAHÇININ AMAÇLARI İstenilen özelliklerin bir bireyde toplanması Karakaş karagöz, sarışın mavi gözlü Güzellike bakana göre değişir 2 tür karakter Agronomik karakterler Girdi karakterleri

3.4. BİTKİ ISLAH YÖNTEMLERİ 3.4.1. Melezleme yöntemleri 3.4.2. Kendine Döllenen Türler 1. Melezlemede teksel seçme (şekil 3.9) 2. Tek tohum seleksiyonu 3. Melezlemede toptan seçme yöntemleri 4. Geri melezleme ıslahı 5. Tohum çoğaltma, test etme, saf hat dağıtılması

A x B Şekil 3.9 Yıl 1 Yıl 2 (F1) X X X X X X X X X X Yıl 3 (F2) Seçilmiş homozigot anaçlar çaprazlanır F1 bitkileri büyütülür Tüm bitkiler tek düze olmalıdır Yeterli F2 tohumu hasat edilir Geniş aralıkla birçok F2 bitkisi büyütülür Yüksek oranda kalıtsal özellikler taşıyan tek bitki seçimi yapılır Her bitki için ayrı ayrı tohumlar hasat edilir Kimlik kaydı ve gözlemler yapılır Seçilmiş her F2 bireyinden döl sıraları büyütülür Tercih edilen aile ve bitkiler seçilir Bitkiler tek tek hasat edilir Aile ve bitkiler için gözlemler yapılır Tek bitkilerden döller büyütülür Aileleri bir arada tutmak için sıralar ayarlanır İyi aileler belirlenir Umut vaat eden ailelerden iyi bitkiler seçilir Bitkiler tek tek hasat edilip kayıtları tutulur F5 ya da F6‘ya kadar tekrarlanır F5 ya da F6‘daki seçilmiş döl sıraları harmanlanır Artırma ve testlere geçilir Yıl 2 (F1) X X X X X X X X X X Yıl 3 (F2) X X X X X X Yıl 4 (F3) X X X X X X Yıl 5 (F4) Aile 1 Aile 2 Şekil 3.9

A x B Şekil 3.10 Year 1 Year 2 X X X X (F1) Year 3 (F2) Year 4 (F3) Seçilmiş homozigot anaçlar çaprazlanır F1 bitkileri büyütülür Tüm bitkiler tek düze olmalıdır Yeterli F2 tohumu hasat edilir Yüksek yoğunlukta F2 bitkisi büyütülür Seçme yapılmaz Her bir F2 bitkisi için tek bir tohum hasat edilir Diğer tohumlar atılır Her tohumdan bir bitki büyütülür Bitki başına bir tohum hasat edilir Bir ya da daha fazla nesil tekrarlanır Aralıklı ekilmiş bitkiler büyütülür F4 ile F6 arasındaki tohumlar. Yüksek oranda kalıtsal karakter taşıyan bitkiler seçilir Umut vaat eden bitkilerden tohum hasat edilir Döl sıraları büyütülür İstenmeyen tipler ayıklanır Döl sıralarında tohumlar seçilir ve harmanlanır Testlere geçilir Year 2 (F1) X X X X X X X X X X X X X X Year 3 (F2) X X X X X X X X X X Year 4 (F3) X X X X X X Year N (F4, F5, or F6) X X X X X X Year N+1 (F5 or F6 or F7) Şekil 3.10

X Verici Anaç (D) RR Tekrarlanan Anaç rr F1 Rr ½ D BC1 rr ve Rr ¼ D (örn. hastalık-dirençli) RR Tekrarlanan Anaç (ör. adapte ama duyarlı) rr X F1 Rr ½ D BC1 rr ve Rr ¼ D BC2 rr ve Rr 1/8 D Geri melezleme tekrarlanır BCN rr ve Rr 1/(2N+1) D Kendine döllenir BCNF2 1RR : 2Rr : 1rr Test ve çoğaltım Şekil 3.11

Şekil 3.12 X X X X X X X X X X X X Popülasyonu büyüt Tesadüfi çiftleşmeye izin ver Tercih edilen bitkilerden tohumları hasat edip harmanla Yeni nesil’i ek Tekrarla X X X X X X Şekil 3.12

Şekil 3.13 Season 1 X A X X B X C X X X X X X X D X X X X X X X E F Popülasyonu büyüt Melezle yada tesadü çiftlestir Tercih edilen bitkileri belirle Tohumları hasat edip kayıt tut Döl sıraları büyüt Tohumların yarısını ayır Döl sıralarını degerlendir Tercih edilen anaçları belirle Yeni melezleme blogunu döl testlerinde iyi performans gösteren bitkilerden ayrılmıs olan tohumları kullanarak ek Tekrarla Season 2 C A D E F B Season 3 C F C F C F Şekil 3.13

A B C D E F G Şekil 3.14 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Kendilenmi yada klon anaçları toptan yada tekrarlamalı seçme ile geliştir Kendilenmiş yada klon olarak koru Döllenme blokları kullanarak büyütüp Syn-1 tohumlarını elde et İhtiyaç duyulduğunda, ek olarak tesadüfi döllenenmeler yoluyla Syn-2 nesline geç. Syn-1 yada Syn-2 tohumlarını hasat et ve harmanla Syn-1 yada Syn-2nesillerini test et Verim ve diğer özellikleri değerlendir Birçok yıl ve çevre koşulunda en iyi sentetik çeşidi tekrarla Aynı basamakları tekrarlayarak Syn-1 yada Syn-2 tohumlarını ticari amaç için üret X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X A B C D A B C D A B C D D E F G D E F G D E F G X X X X X X X X X X X X A B C D A B C D A B C D Şekil 3.14

A B A C A B Şekil 3.15 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Kendine döllenmiş yada klon anaçları toplu yada tekrarlamalı melezleme ile geliştirin Kendine döllenmiş yada klon olarak koruyun İzole çift sıralar halinde çaprazlama için büyütün Dişi anaçtaki erkek organlar çıkartılır (emaskülasyon) Dişi anaçtan tohumlar hasat edilir Melez testleri büyütülür Verim ve diğer özellikler değerlendirilir Çoklu yıllar ve çevrelerde en iyi sentetik çeşidin belirlenmesi için tekrarlanır Melez çaprazlamalar tekrarlanır (çok daha büyük çapta) ve ticari üretim için tohumlar elde edilir X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X A B X X X X X X X X X X X X Şekil 3.15

A x B İstenilen özellik taşıyan homozigot anaçlar çaprazlanır. Tek tohum seçimi yada double haploidi yöntemi ile ile deneysel popülasyon oluşturulur. Döl sıralarında rastgele hatlar test edilir. Döl sıralarında rast gele hatlar test edilir. Markörler arasında istatistiksel bağlantılar belirlenir (örn. M) ve QTL (örn. Q) Sonraki seçimler için markör testleri yapılır,. M için yapılan seçimin faydalı ve başlı bir QTL seçimine de sebep olduğu var sayılır. Bu, aynı genişletilmiş yada bambaşka bir popülasyondan olabilir. M M m m M m M m M m M M m m M M m m m M M m m M m M M M M m M m m M m M m m m M m m m M m m M A B Q M C D M M M M M M M Şekil 3.16