TÜBİTAK 115Y629

Denizlerdeki Mikrobiyal Reaksiyonların Yeni Yaklaşımlar Kullanılarak Araştırılması: Genetik, Biyojeokimya ve Modelleme

 

Program Kodu: 1001
Proje No: 115Y629
Proje Yürütücüsü: Doç. Dr. Barış Salihoğlu

 

ODTÜ Deniz Bilimleri Enstitüsü tarafından Mersin Körfezi’nde 1997 yılından bu yana sürdürülen Erdemli Zaman Serisi (ETS) programı dahilinde ölçülen değişkenlere ek olarak, bu proje kapsamında toplam su kolonu derinliği 200 metre olan istasyonda (ETS_200m) altı farklı derinlikten (yüzey, 25m, 50m, 100m, 150m ve 200m) bir yıl boyunca aylık periyotlarda deniz suyu örneklemesi yapılmıştır. Bu örneklerde yeni nesil dizileme yönteminin kullanıldığı amplikon dizilemesi (metagenomik) analizleri yapılarak biyojeokimyasal döngülerde önemli roller oynayan bakteri türleri tayin edilmiş, topluluk yapıları ve bolluklarının zamansal değişimi belirlenmiştir.  Taksalar arasında Pelagibacteriacea’ya ait olan SAR11 kladının tüm derinlikler ve aylarda baskınlığı gözlenmiştir. Bu kladın üyeleri fonksiyonel olarak organik maddeyi oksitleyerek karbondioksit üreten heterotrofik bakterilerdir ve dolayısıyla biyojeokimyasal döngülerin remineralizasyon ayağında rol almaktadırlar. SAR11 kladının bolluğu yıl boyunca %22 ve %64 arasında değişim göstermiştir. SAR11 kladının ekotipleri olan Clade Ia ve Clade Ib ise derinliğe bağlı yayılım göstermektedirler. Clade Ia yüzey sularında baskınlık gösterirken Clade Ib’nin derin sularda komüniteye katkısı daha fazla olmaktadır. Bunun yanı sıra komünite yapısını belirleyen en önemli çevresel faktörler sıcaklık, nitrat, görünür oksijen kullanımı, sezon ve ışıklı tabaka derinliği olarak belirlenmiştir. Sezonlar arasındaki filogenetik çeşitlilik, belirgin olarak farklı bulunmuştur.  Bunun yanı sıra bakterilerin aktif metabolizmalarını tayin etmek için sezonluk olarak mRNA örneklemesi yapılmış ve örnekler metatranskriptom yöntemi ile analiz edilmiştir. Bu yöntem aracılığı ile bakteriler tarafından gerçekleştirilen biyokimyasal reaksiyonların aktif ve inaktif oldukları dönemler saptanmıştır. Nitrifikasyonun ilk basamağı olan amonyak oksitilenmesi Kasım ayında oldukça yüksek bulunmuştur. Ancak nitrifikasyonun ikinci basamağı olan nitritin nitrata oksitlenme sürecine ait olan belirteç genlere herhangi bir örnekde rastlanmamıştır. Sisteme yeni azot girdisi sağlayan azot fiksasyonuna mRNA ifadelerinde rastlanmamıştır. Metatranskriptom yöntemine elde edilen bulgulara ek olarak nitrifikasyon ve azot fiksasyon süreçleri izotop yöntemi ile de her ay dört farklı derinlikten yapılan örneklemeler ile araştırılmıştır. Nitrifikasyonun sadece afotik bölgede gerçekleşmediği görülmüştür. Azot fiksasyonu belirteç genlerine rastlanmadığı halde izotop yöntemi ile yapılan çalışmada azot fiksasyonu tüm yıl boyunca ve tüm derinliklerde çok düşük de olsa tespit edilmiştir. Azot döngüsüne ek olarak, metatranskriptom çalışması ile kısıtlı inorganik fosfat varlığında aktive olan alkalin fosfataz’ın sezonluk değişimi de göstermiştir. Buna göre, ortamda düşük fosfat konsantrasyonları gözlemlendiğinde bakterilerin diğer fosfor kaynaklarına yöneldiği gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak denizdeki biyokimyasal döngüleri sayısal olarak temsil eden ve tahminleri direkt olarak ölçümlerle karşılaştırılabilecek bir modelleme sistemi bölgeye uyarlanmıştır. Bu modelleme sistemi bir parametre tahmin algoritması ve proje kapsamında yapılan ölçüm verileri ile birleştirilerek modelde reaksiyon hızlarını kontrol eden parametrelerin tahmini yapılmıştır. Bu tahmin sonucunda ortaya çıkan nitrifikasyon hızları izotop yöntemi ile yapılan nitrifikasyon hızları ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma reaksiyon hızları tahmini için modelleme sistemi ve parametre tahmini kullanımının zor olan izotop yöntemine alternatif bir yöntem olma potansiyelini göstermiştir. Yapılan bir yıllık gözlemler (fiziksel, kimyasal, genetik), kullanılan izotop yöntemleri ve modelleme yaklaşımı bölgedeki bilimsel bilgiye önemli katkılar sağlamıştır. Bakteri topluluk yapıları Türkiye kıyılarında ilk defa kültür bağımsız yöntemlerle ortaya konmuştur. Bunun yanı sıra izotop yöntemleri ve yapılan metatranscriptom çalışması bölgede azot fiksasyonunun baskın bir süreç olmadığını ortaya koymuştur. Biyojeokimyasal bir modelleme sistemi başarıyla bölgeye uyarlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Akdeniz, denizel bakteriler, metagenom, metatranscriptom, sayısal deniz modelleri, biyojeokimya