Türkiye'de yayılış gösteren Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv.(Poaceae) populasyonlarının moleküler ve morfolojik karakterizasyonu
Molecular and morphological characterization of Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv. (Poaceae) populations distributed in Turkey
Yazar: SİĞNEM ÖNEY
Danışman: DOÇ. DR. SELMA TABUR ; PROF. DR. METİN TUNA
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Biyoloji = Biology ; Botanik = Botany
Dizin: Akım sitometrisi = Flow cytometry ; Kromozom sayısı = Chromosome number ; Poaceae = Poaceae

Özet:
Canlı organizmaların bünyelerinde meydana gelen birçok biyolojik olay benzer şekilde cereyan etmektedir. Bundan dolayı daha basit organizmalar üzerinde bu tür olayları çalışmak çok daha pratik ve kolaydır. Çalışmamızda, yeni bir model sistem olarak seçilen Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv. (Poaceae) türünün ülkemizin doğal florasında yayılış gösteren 110 farklı lokasyonuna ait aksesyonları moleküler (nuklear genom büyüklüğü, ploidi düzeyi, mitotik kromozom sayısı) ve morfolojik açıdan (bitki boyu, gelişme formu, tohum boyu, kılçık uzunluğu, tek tohum ağırlığı, bin tane ağırlığı, başak ve başakçık sayısı) karakterize edilmiştir. Türün çalışılan lokasyonlar için yayılış alanlarının Davis (1985)?in kareleme sistemine göre A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, B5, C1, C2, C3, C4, C5, C6 kareleri olduğu tespit edilmiştir. Flow sitometrik analizlerin sonucu olarak, 110 farklı alandan toplanan B. distachyon populasyonlarının 77?sinin diploid, 33?ünün tetraploid olduğu belirlenmiştir. Diploid ekotiplerin 0,74 pg (2C) genom büyüklüğüne, tetraploid ekotiplerin ise 1,44 pg (2C) genom büyüklüğüne sahip oldukları tespit edilmiştir. Buna göre ploidi seviyesi belirlenmiş olan 77 diploid aksesyonun 6?sının polisomik (0,81-0,92 pg/2C), 33 tetraploid aksesyonun 15?inin ise hipoploid (1,01-1,26 pg/2C) olduğu sonucuna varılmıştır. Bu da çalışılan aksesyonların %70 oranında diploid olduklarını göstermektedir. Ayrıca toplanan aksesyonlar deniz seviyesinden yükseklik artışının genom büyüklüğü ile ilişkisi dikkate alınarak değerlendirildiğinde 2C genom büyüklüğüne sahip diploid aksesyonlarda 0-300 m yüksekliğe kadar total genom miktarı yükseklik artışıyla pozitif bir korelasyon içerisindeyken 300 m yükseklikten sonra yükseklik artışına bağlı olarak total genom miktarının azaldığı tespit edilmiştir. 4C genom büyüklüğüne sahip tetraploid aksesyonlarda ise düzenli bir artış ya da azalış gözlenmemiştir. Yapılan morfolojik karakterizasyon sonucunda özellikle Akdeniz Bölgesinde yayılış gösteren diploid ekotiplerin kısa boylu (5-18 cm), cılız, çevresel koşullardan kolaylıkla etkilenebilen ve dik bir gelişme formuna sahip, başak ekseni üzerindeki tohumların dizilişi seyrek, açık sarı renkte, tohum boyları 6,11-8,54 mm aralığında,kılçık uzunlukları 6,82-14,41 mm aralığında, küçük yapılı, başak sayılarının 1-4 adet başakçık sayılarının 1-6 adet arasında değişiklik gösterdiği kaydedilmiştir. Tetraploid ekotiplerin ise bitki boyu diploid ekotiplerden 2-3 kat daha fazla (18-33 cm), dik, yarı yatık ve yatık formlarda, başakları dolgun, başak ve başakçık ekseni üzerindeki tohumların dizilişi kompakt ve sık, koyu kahverengi, 6,84-8,86 mm boy uzunluğuna sahip, kılçık uzunlukları 8,78-14,94 mm aralığında, tohumları iri görünüşlü, başak sayılarının 1-4 adet, başakçık sayılarının ise 1-5 arasında değişkenlik gösterdiği tespit edilmiştir. Diploid populasyonlarda bitki boyu deniz seviyesinden yüksekliğin artışına bağlı olarak önemli bir değişim göstermezken tetraploid populasyonlarda 800 m yüksekliğe kadar bitki boyları artmakta 800 metrenin üzerindeki yüksekliklere ait bitkilerin boyları yarı yarıya düşmekte ve yükseklik ile bitki boyu arasında negatif bir korelasyon ortaya çıkmaktadır. Diploid ve tetraploid tüm genomların tohum boylarında yükseklik artışına paralel olarak düzenli bir azalışa rastlanmazken, tetraploid aksesyonlarda kılçık uzunluğu ile yükseklik arasında negatif bir ilişki olduğu rapor edilmiştir. Diploid ve tetraploid aksesyonların her ikisinde de yükseklik ile tek tohum ağırlığı ve bin tane ağırlığı arasında belirgin bir ilişki saptanmamıştır. Yükseklik artışına paralel olarak hem diploid hem de tetraploid aksesyonlarda başak ve başakçık sayısında azalma olduğu belirlenmiştir. Ayrıca elde edilen tüm verilere regresyon analizi, faktör analizi ve discriminant analizi uygulanarak genom büyüklüğü çalışılan morfolojik karakterlerden yararlanılarak tahmin edilmeye çalışılmıştır. Genom büyüklüğünü tahmin etmek için bitki boyu ve kılçık uzunluğunun bilinmesinin yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Genom büyüklüğünü belirlemede çalışılan morfolojik karakterlerin tümünün tek başlarına ve diğer özellikler ile aynı oranda ayrı ayrı etkili oldukları ortaya konulmuştur. Çalışılan 1.134 diploid ve tetraploid hattın 825 adedine discriminant analizi uygulandığında aksesyon içi ve aksesyonlar arasında 540 diploid bitkinin içerisinden 46 adedinin tetraploid bitki morfolojik özelliği gösterdiği, 285 tetraploid bitkinin 73 adedinin diploid bitki morfolojik karakter özellikleri gösterdiği Fisher?in doğrusal ayırma fonksiyonları kullanılarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmada moleküler ve morfolojik karakter özelliklerine göre diploid ve tetraploid bitkileri doğru ayırma başarısının % 85,6 olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, yapılan araştırma ülkemizin doğal florasında yayılış gösteren B. distachyon?un doğal hatlarının tanımlanmasına hizmet edecektir. 2020 yılına kadar dünyanın buğdaygil ihtiyacının bugünün ihtiyacından %40 fazla olacağı düşünüldüğünde buğdaygillerin genetik temelinin ortaya çıkarılmasına hizmet eden B. distachyon ile ilgili detaylı bilgilerin elde edilmesi oldukça önemlidir. Bu çalışmanın, bitki biyoteknolojisi ve ıslahı alanında çalışan araştırıcılara değerli bir kaynak oluşturacağı düşünülmektedir.  Anahtar Kelimeler: Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv., kromozom, flow sitometri, genetik kaynak koleksiyonu, genom büyüklüğü, model bitki, Poaceae, ploidi.

Abstract:
Many of the biological events taking place in living organisms are similar. Therefore,it is much more practical and easier to study those events firstly in simple organisms.In our work, 110 different accessions of Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv.(Poaceae) chosen as a new model system, naturally distributed in the flora of ourcountry, were characterized in molecular (nuclear genome size, ploidy levels, mitoticchromosome numbers) and morphogical (plant size, growht form, seed size, awnlenght, single seed weight, thousand grain weight and spike and spikelet numbers)aspects. It was determined that the distribution area of the species for the studiedlocations in accordance with the Davis (1985)?s quadrature system has been locatedin A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, B5, C1, C2, C3, C4, C5, C6 frames. As a result offlow cytometric analysis, it were identified that B. distachyon populations collectedfrom 110 different areas were diploid 77 and tetraploid 33 of them. The genome sizesof diploid ecotypes were determined to be 0,74 pg/2C, and those of tetraploid werefound to be 1,44 pg/2C. Accordingly, it has been concluded that the ploidy levels of6 of 77 diploid accessions are polisomic (0,81-0,92 pg/2C), and 15 of 33 tetraploidaccessions are hipoploid (1,01-1,26 pg/2C). This also show that 70% the accessionsstudied were diploid. In addition, evaluations regarding the accessions collectedabove sea height levels (up to 300 meters) have showed that diploid accessions with2C genome size have a possitive correlation between the increased altitude and totalgenome size. But after 300 meters, total genome sizes decreased depending on theincreasing height levels. Whereas, it was not observed in the increase or decrease ona regular basis in tetraploid accessions with 4C genome size.As a result of the morphological characterization, it was recorded that diploidecotypes, especially those distributed in Mediterrian regions were short (about 5-18cm), weak, easily affected by environmental conditions and upright growth form,sparse spikelet axis, straw-colored and between 6,11 and 8,54 mm seed size, awnlenght between 6,82 mm and 14,41 mm, small structure, with low seed yield spikenumbers 1 or 4, spikelet numbers between 1 and 6. However, in tetraploid ecotypes,plant size were more than 2 to 3 times from the diploid ecotypes (18-33 cm), upright,semi-recumbent and horizontal growth forms, plump spikes, spike axis of thecompact spikelets, dark brown, seed sizes between 6,84 mm and 8,86 mm, and theawn lenght between 8,78 and 14,94 mm, portly structure, with high seed yield, spikenumbers 1 to 4, spikelet numbers between 1 to 5.Depending on the increase in the height above the sea level, plant size of diploidpopulations show any significant change while in tetraploid populastions, plant sizeincreases up to 800 m, but after 800 meters, plant size decreases by half. So, anegative correlation occurs between altitude and plant size. In parallel with theincreased altitude, seed size of all genomes of diploid and tetraploid were notobserved to have regulary decreased. In tetraploid accessions, there is a negativecorrelation between awn lenght and altitude. Neither diploid nor tetraploidaccessions have a clear correlation among seed weight, thousand grain weight andaltitude. In parallel with the increased altitude, spike and spikelet numbers decreasedin both diploid and tetraploid accessions. In addition, applying the statisticalprograme Minitab regression analysis, factor analysis and discriminant analysis to allthe data obtained, the genome size was tried to estimate using morphologicalcharacters studied. It was concluded that knowledge of the plant size and awn lenghtwas sufficient to estimate the genome size. In determining of the genome size, allmorphologic characters studied were individually found to be effective alone and asefficient as other characters. When the discriminant analysis was applied to 825 of1.134 diploid and tetraploid lines studied, it has been found that in inter and intraaccessions46 of 540 diploid lines were of tetraploid morphologic characters and that73 of 285 tetraploid lines were of diploid morphologic chracters using Fisher?s lineardiscriminant analysis. In this study, the correct allocation success of the diploid andtetraploid plants according to their molecular and morphological character werefound to be 85,6%.To conclude, this research will serve to identify the natural lines of B. distachyondistributed in natural flora of our country. Considering that the world?s need forgrasses will have increased by 40% by 2020, it is so important obtain detailedinformation about B. distachyon which served to uncover of the genetic basis ofgrasses. It is thought that this study will produce a valuable resource for researchersworking in the field of plant biotechnology and breedingKeywords: Brachypodium distachyon (L.) P. Beauv., chromosome, flow cytometry,genetic reserve collection, genome size, model crops, Poaceae, ploidy.