Tarım için verimli bazı toprak çeşitlerinin mikrobiyata genomlarının karşılaştırmalı analizleri
Comparative analysis of microbiota genomes of some productive soil varieties for agriculture
Yazar: SEYRAN HÜSEYNLİ
Danışman: PROF. DR. ERCAN ARICAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoloji ve Genetik  Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Genetik = Genetics

Özet:
Bu çalışmada, farklı tarımsal verimlilik seviyelerine sahip topraklardaki mikrobiyal toplulukların genetik çeşitliliği ve fonksiyonel potansiyeli biyoenformatik analizlerle değerlendirilmiştir. Verimli ve verimsiz topraklardan elde edilen mikrobiyota örnekleri literatür taraması sonucunda belirlenmiştir. Araştırma, hem tarımsal sürdürülebilirlik açısından önemli mikrobiyal fonksiyonların belirlenmesi hem de düşük verimliliğe sahip topraklarda iyileştirme stratejileri geliştirilmesi açısından katkı sunmayı amaçlamaktadır. Çalışmanın ilk aşamasında, verimli ve verimsiz topraklarda bulunan mikrobiyal toplulukların alfa çeşitliliği değerlendirilmiştir. Bu analiz, her iki toprak türündeki mikrobiyal zenginlik ve tür çeşitliliğini belirlemek için gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, verimli toprakların mikrobiyal çeşitlilik açısından daha yüksek bir zenginlik gösterdiğini, bu durumun toprak sağlığı ve bitki gelişimi üzerinde olumlu etkiler yarattığını ortaya koymuştur. Buna karşın, verimsiz topraklarda düşük genetik çeşitlilik gözlemlenmiş ve bu durum, çevresel stres faktörlerine karşı adaptasyon yeteneğinin sınırlı olduğunu düşündürmektedir. Bu aşamada, verimli ve verimsiz topraklarda yer alan mikroorganizmaların fonksiyonel potansiyelleri karşılaştırılmıştır. Biyoenformatik analizler sonucunda: Verimli topraklarda karbon, azot ve fosfor metabolizması ile ilişkili genlerin daha yüksek oranda bulunduğu ve verimsiz topraklarda ise stres yanıtı ve direnç mekanizmaları ile ilgili genlerin ön planda olduğu tespit edilmiştir. Bu farklılık, verimli toprakların biyolojik süreçler açısından daha aktif olduğunu, verimsiz topraklarda ise stres toleransı ile ilişkili işlevlerin baskın hale geldiğini göstermektedir. Mikrobiyal topluluk yapılarının toprak tipine bağlı olarak nasıl farklılaştığını belirlemek amacıyla beta çeşitliliği analiz edilmiştir.
Sonuçlar, verimli ve verimsiz topraklardaki mikrobiyota kompozisyonlarının istatistiksel olarak anlamlı şekilde farklılaştığını göstermiştir. Verimli topraklarda simbiyotik ve mutualistik mikroorganizmalar ağırlıkta iken, verimsiz topraklarda daha çok patojenik ve stres toleransına sahip türlerin baskın olduğu gözlemlenmiştir. Mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen biyokimyasal yolların (pathway) belirlenmesi için yapılan analizler, her iki toprak türü arasındaki metabolik farklılıkları ortaya koymuştur. Verimli topraklarda enerji metabolizması, fotosentez, azot fiksasyonu ve karbon döngüsü ile ilgili yolların daha aktif olduğu Verimsiz topraklarda ise oksidatif stres, DNA onarımı ve ağır metal detoksifikasyonu ile ilgili yolların daha belirgin olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, çevresel stres faktörlerinin verimsiz toprak mikrobiyotası üzerinde belirleyici bir etkisi olduğunu ve bu tür topraklarda stresle başa çıkmak için daha fazla metabolik enerji harcandığını göstermektedir. Toprak mikrobiyotasının çevresel streslere adaptasyonunda rol oynayan genlerin analizi, verimli ve verimsiz topraklar arasındaki önemli farklılıkları ortaya koymuştur.Verimli topraklarda, strese toleranslı genlerin düşük seviyede ifade edilmesi, bu tür toprakların daha stabil bir çevre sağladığını işaret etmektedir. Verimsiz topraklarda ise stresle ilgili genlerin daha yüksek ifade seviyelerine sahip olduğu ve mikroorganizmaların düşük pH, besin kıtlığı ve ağır metal kirliliği gibi stres faktörlerine karşı direnç geliştirdiği tespit edilmiştir. Bu çalışma, verimli ve verimsiz topraklardaki mikrobiyal toplulukların genetik ve fonksiyonel özelliklerini karşılaştırarak, çevresel stres faktörlerinin mikrobiyal çeşitlilik ve işlev üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, tarımsal verimliliğin artırılması ve verimsiz toprakların rehabilitasyonu için mikrobiyal toplulukların hedeflenebileceği stratejilerin geliştirilmesine katkı sunmaktadır.

Abstract:
This study evaluates the genetic diversity and functional potential of microbial communities in soils with varying levels of agricultural productivity through bioinformatics analyses. Microbiota samples from fertile and infertile soils were selected based on a literature review. The research aims to contribute to the identification of microbial functions critical for agricultural sustainability and the development of strategies to improve low-productivity soils. In the first phase of the study, the alpha diversity of microbial communities in both fertile and infertile soils was assessed. This analysis was conducted to determine microbial richness and species diversity in each soil type. The results revealed that fertile soils exhibited higher microbial diversity, positively influencing soil health and plant growth. In contrast, infertile soils showed lower genetic diversity, suggesting a limited capacity to adapt to environmental stress factors.
At this stage, the functional potentials of microorganisms in fertile and infertile soils were compared. Bioinformatics analyses demonstrated that genes associated with carbon, nitrogen, and phosphorus metabolism were more prevalent in fertile soils, whereas genes related to stress response and resistance mechanisms were dominant in infertile soils. This difference indicates that fertile soils are more biologically active, while stress tolerance-related functions prevail in infertile soils. To determine how microbial community structures differ according to soil type, beta diversity was analyzed. The results showed statistically significant differences in microbiota compositions between fertile and infertile soils. Symbiotic and mutualistic microorganisms were more abundant in fertile soils, whereas pathogenic and stress-tolerant species dominated in infertile soils. Pathway analyses to identify biochemical processes performed by microorganisms revealed metabolic differences between the two soil types. Fertile soils exhibited more active pathways related to energy metabolism, photosynthesis, nitrogen fixation, and the carbon cycle. In infertile soils, pathways associated with oxidative stress, DNA repair, and heavy metal detoxification were more pronounced. These findings suggest that environmental stress factors have a significant impact on the microbiota of infertile soils, requiring more metabolic energy to cope with stress. The analysis of genes involved in the adaptation of soil microbiota to environmental stresses highlighted key differences between fertile and infertile soils. In fertile soils, stress-tolerant genes were expressed at lower levels, indicating a more stable environment. In infertile soils, stress-related genes were expressed at higher levels, reflecting microbial adaptation to stress factors such as low pH, nutrient scarcity, and heavy metal contamination. This study highlights the impact of environmental stress factors on microbial diversity and function by comparing the genetic and functional characteristics of microbial communities in fertile and infertile soils. The findings provide valuable insights for enhancing agricultural productivity and rehabilitating low-productivity soils.