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

TÜBİTAK ÇAYDAG15.10.2018ODTÜ Deniz Bilimleri Enstitüsü tarafından Mersin Körfezi?nde 1997 yılından bu yanasürdürülen Erdemli Zaman Serisi (ETS) programı dahilinde ölçülen degiskenlere ek olarak, buproje kapsamında toplam su kolonu derinligi 200 metre olan istasyonda altı farklı derinliktenbir yıl boyunca aylık periyotlarda deniz suyu örneklemesi yapılmıstır. Bu örneklerde yeni nesildizileme yönteminin kullanıldıgı amplikon dizilemesi (metagenomik) analizleri yapılarakbiyojeokimyasal döngülerde önemli roller oynayan bakteri türleri tayin edilmis, topluluk yapılarıve bolluklarının zamansal degisimi belirlenmistir. Taksalar arasında Pelagibacteriacea?ya aitolan SAR11 kladının tüm derinlikler ve aylarda baskınlıgı gözlenmistir. Bu kladın üyelerifonksiyonel olarak organik maddeyi oksitleyerek karbondioksit üreten heterotrofik bakterilerdirve dolayısıyla biyojeokimyasal döngülerin remineralizasyon ayagında rol almaktadırlar.SAR11 kladının bollugu yıl boyunca %22 ve %64 arasında degisim göstermistir. SAR11kladının ekotipleri olan Clade Ia ve Clade Ib ise derinlige baglı yayılım göstermektedirler.Clade Ia yüzey sularında baskınlık gösterirken Clade Ib?nin derin sularda komüniteye katkısıdaha fazla olmaktadır. Bunun yanı sıra komünite yapısını belirleyen en önemli çevreselfaktörler sıcaklık, nitrat, görünür oksijen kullanımı, sezon ve ısıklı tabaka derinligi olarakbelirlenmistir. Sezonlar arasındaki filogenetik çesitlilik, belirgin olarak farklı bulunmustur.Bunun yanı sıra bakterilerin aktif metabolizmalarını tayin etmek için sezonluk olarak mRNAörneklemesi yapılmıs ve örnekler metatranskriptom yöntemi ile analiz edilmistir. Bu yöntemaracılıgı ile bakteriler tarafından gerçeklestirilen biyokimyasal reaksiyonların aktif ve inaktifoldukları dönemler saptanmıstır. Nitrifikasyonun ilk basamagı olan amonyak oksitilenmesiKasım ayında oldukça yüksek bulunmustur. Ancak nitrifikasyonun ikinci basamagı olan nitritinnitrata oksitlenme sürecine ait olan belirteç genlere herhangi bir örnekde rastlanmamıstır.Sisteme yeni azot girdisi saglayan azot fiksasyonuna mRNA ifadelerinde rastlanmamıstır.Metatranskriptom yöntemine elde edilen bulgulara ek olarak nitrifikasyon ve azot fiksasyonsüreçleri izotop yöntemi ile de her ay dört farklı derinlikten yapılan örneklemeler ilearastırılmıstır. Nitrifikasyonun sadece afotik bölgede gerçeklesmedigi görülmüstür. Azotfiksasyonu belirteç genlerine rastlanmadıgı halde izotop yöntemi ile yapılan çalısmada azotfiksasyonu tüm yıl boyunca ve tüm derinliklerde çok düsük de olsa tespit edilmistir. Azotdöngüsüne ek olarak, metatranskriptom çalısması ile kısıtlı inorganik fosfat varlıgında aktiveolan alkalin fosfataz?ın sezonluk degisimi de göstermistir. Buna göre, ortamda düsük fosfatkonsantrasyonları gözlemlendiginde bakterilerin diger fosfor kaynaklarına yöneldigigözlemlenmistir.Bunlara ek olarak denizdeki biyokimyasal döngüleri sayısal olarak temsil eden ve tahminleridirekt olarak ölçümlerle karsılastırılabilecek bir modelleme sistemi bölgeye uyarlanmıstır. Bumodelleme sistemi bir parametre tahmin algoritması ve proje kapsamında yapılan ölçümverileri ile birlestirilerek modelde reaksiyon hızlarını kontrol eden parametrelerin tahminiyapılmıstır. Bu tahmin sonucunda ortaya çıkan nitrifikasyon hızları izotop yöntemi ile yapılannitrifikasyon hızları ile karsılastırılmıstır. Bu karsılastırma reaksiyon hızları tahmini içinmodelleme sistemi ve parametre tahmini kullanımının zor olan izotop yöntemine alternatif biryöntem olma potansiyelini göstermistir.Yapılan bir yıllık gözlemler, kullanılan izotop yöntemleri ve modelleme yaklasımı bölgedekibilimsel bilgiye önemli katkılar saglamıstır. Bakteri topluluk yapıları Türkiye kıyılarında ilk defakültür bagımsız yöntemlerle ortaya konmustur. Bunun yanı sıra izotop yöntemleri ve yapılanmetatranscriptom çalısması bölgede azot fiksasyonunun baskın bir süreç olmadıgını ortayakoymustur. Biyojeokimyasal bir modelleme sistemi basarıyla bölgeye uyarlanmıstır.In addition to the measured variables within the Erdemli Time Series (ETS) monitoring programcarried out in Mersin Bay since 1997 by the METU-Institute of Marine Sciences, sea watersampling was performed where the total water column depth is 200 meters and from sixdifferent depths monthly for one year. These samples were analyzed by next generationsequencing using amplicon sequencing (metagenomic) approach and the bacterial speciesthat play important roles in biogeochemical cycles and the temporal changes of communitystructures and abundances were determined. SAR11 clade belonging to Pelagibacteriaceawas the most dominant taxa in all depths and months. SAR11 is ubiquitous in the seas andreplicate under the most limiting nutrient conditions. The abundance of the SAR11 cladethroughout the year ranged between 22% and 64%. Clade Ia and Clade Ib, the ecotypes ofthe SAR11 clade, showed depth-dependent distribution. Clade Ia dominated the surfacewaters, while Clade Ib contributes the most to the community in deeper waters. The mostimportant environmental factors that determine the community composition were determinedto be; temperature, nitrate, apparent oxygen utilization, season and euphotic zone depth.Phylogenetic diversity between seasons was found to be significantly different.Furthermore, to determine the active metabolism of bacteria mRNA samples were collectedseasonally and analyzed by metatranscriptomics approach. By using this approach, active andinactive periods of biochemical reactions mediated by bacteria was discovered. Ammoniaoxidation, the first step of nitrification, was found to be high in November. However, markergenes that are belong to nitrite oxidation to nitrate which is the second step of nitrification, havenot been detected in any samples. Indicator genes of nitrogen fixation which provides newnitrogen to the system was not found in mRNA expressions. In addition to the findings obtainedfrom the metatranscriptomics study, nitrification and nitrogen fixation processes wereinvestigated using isotope measurements from four different depths each month. It wasobserved that the nitrification did not occur only in the aphotic zone. Nitrogen fixation was notdetected in the indicator genes, but in the study conducted with isotope method, even with lowlevels, nitrogen fixation was determined throughout the year and depths. Additionally, to thenitrogen cycle, the seasonal change of alkaline phosphatase activity which is active especiallyduring inorganic phosphate limitation was also identified by the metatranscriptomics study.Accordingly, when low phosphate concentrations were observed in the environment, it wasobserved that bacteria adapt to use other phosphorus sources.Furthermore, a modeling system that represents the marine biochemical cycles numericallyand whose estimates can be compared directly with the measurements was adapted to theregion. This modeling system was combined with a parameter estimation scheme and measurements obtained in the project, and the parameters controlling the reaction rates in themodel were estimated. Nitrification rates according to the estimations were cpmpared with theresults of nitrification rates obtained by isotopic measurements. This comparison showed thepotential of using modeling system and parameter estimation as an alternative approach to thehard isotope measurements for estimating reaction rates.One-year long observations, isotope methods used and modeling approach have madesignificant contributions to scientific knowledge in the region. Bacterial community structurehave been revealed by culture-independent method for the first time in the coasts of Turkey.In addition, isotope methods and metatranscriptom study showed that nitrogen fixation is nota dominant process in the region. And a biogeochemical modeling system has beensuccessfully adapted to the region

Stem Cells and Innate Immunity in Aquatic Invertebrates: Bridging Two Seemingly Disparate Disciplines for New Discoveries in Biology

The scopes related to the interplay between stem cells and the immune system are broad and range from the basic understanding of organism's physiology and ecology to translational studies, further contributing to (eco)toxicology, biotechnology, and medicine as well as regulatory and ethical aspects. Stem cells originate immune cells through hematopoiesis, and the interplay between the two cell types is required in processes like regeneration. In addition, stem and immune cell anomalies directly affect the organism's functions, its ability to cope with environmental changes and, indirectly, its role in ecosystem services. However, stem cells and immune cells continue to be considered parts of two branches of biological research with few interconnections between them. This review aims to bridge these two seemingly disparate disciplines towards much more integrative and transformative approaches with examples deriving mainly from aquatic invertebrates. We discuss the current understanding of cross-disciplinary collaborative and emerging issues, raising novel hypotheses and comments. We also discuss the problems and perspectives of the two disciplines and how to integrate their conceptual frameworks to address basic equations in biology in a new, innovative way

Studying Tunicata WBR using Botrylloides anceps

Tunicates are marine filter-feeding invertebrates that can be found worldwide and which are the closest phylogenetic group to the vertebrates (Craniata). Of particular interest, colonial tunicates are the only known chordates that can undergo Whole Body Regeneration (WBR) via vascular budding. In Botrylloides anceps, a fully functional adult regenerates from a fragment of the vascular system in around two weeks after amputation. In this chapter, we present protocols to collect B. anceps colonies, breed them in the lab, monitor WBR and perform histological staining on cryosection sections

ODTÜ Deniz Bilimleri Enstitüsü Genetik Laboratuvarı

Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ), Deniz BilimleriEnstitüsü (DBE) bünyesinde yer alan genetiklaboratuvarında bakteriden memeliye kadar neredeysetüm denizel canlılar ile çalışmalar yapmaktayız. Çalışmaalanlarının genel başlıkları; popülasyon genetiği,filocoğrafya, DNA barkodlama, metagenomik olarakverilebilir. Ayrıca genetik laboratuvarı altında bulunantunikat laboratuvarında, model organizma olarakkullandığımız botryllid asidianlar üzerinde kök hücre,yaşlanma ve onarım çalışmaları sürdürmekteyiz. ODTÜ-DBE’de yapılan çalışmalar biyoçeşitlilik tespiti, farklıdenizel popülasyonlar arasındaki etkileşimlerinbelirlenmesi, türleşme mekanizmaları, uyumsal evrim vetüm vücut onarımı yapabilen, kök hücre potansiyeliyüksek olan ve yaşlanma görülmeyen organizmalarınsırlarının moleküler ve histolojik teknikler kullanılarakaraştırılması şeklindedir

Karyotype analysis and chromosome banding of Upeneus moluccensis (Bleeker, 1855) from the north-eastern Mediterranean

Chromosome number, morphology and location of the nucleolus organizer region (NOR) are useful cytological characters for taxonomic and evolutionary studies. The karyotype of Upeneus moluccensis from the north-eastern Mediterranean was investigated through conventional Giemsa staining, Ag-NOR staining, C-banding and GTG-banding techniques. The results showed 2n = 44 (FN = 46), 2m + 2st + 40a chromosomes and four NORs. Two telomeric C-band regions were observed on a metacentric and subtelocentric chromosome pair. On the basis of the chromosome morphology, the GTG and C-banding pattern, it is hypothesized that Upeneus moluccensis is more primitive than the Mediterranean native fish species, Mullus barbatus and Mullus surmuletus. In this study, the cytogenetic characterization of U. moluccensis has been carried out for the first time

İklim Değişikliğinin İstilacı Yabancı Türlerin Başarısına Etkisi

İstilacı yabancı türler, doğal alanlarının dışındaki yerlere giren ve oradaki biyoçeşitliliğiolumsuz yönde etkileyen türlerdir. Doğu Akdeniz istilacı tür baskısından en fazla etkilenenalanlardan biridir. Bunun en önemli kaynağı ise Süveyş Kanalı’dır. İklim değişikliği veistilacı tür baskısı birbirlerini besleyen iki unsur haline gelmiştir. Şöyle ki, iklimdeğişikliği, birçok yabancı türün yayılmasını ve yerleşmesini kolaylaştırmakta ve istilacıolmaları için fırsatlar yaratmaktadır. Kasırga, sel ve kuraklık gibi iklim değişikliğindenkaynaklanan aşırı iklim olayları, istilacı yabancı türleri yeni alanlara taşınmakta ve yerelhabitatların istilalara karşı direncini azaltmaktadır. Okyanus asitlenmesi larva gelişimlerive döllenmeyi etkilemekte, böylece doğal türlerin direncini azaltmakta ve bu da istilacıtürler ile olan mücadelelerini kaybetmelerine neden olmaktadır. "İstilalarınepidemiyolojisini" anlamak, mevcut istilaları kontrol etmek ve gelecekteki istilalarıönlemek açısından oldukça önemlidir. Yabancı türlerin farklı popülasyonları arasındakimelezlenmeler, yeni genetik düzenlemeler ortaya çıkarmakta, yeni oluşan popülasyonlarınistilacı olmasına neden olabilmektedir. Öte yandan her yabancı tür istilacı olmamaktadır.Türün istilacı olma potansiyellerinin araştırılması, içinde DNA barkodlama ve eDNA(çevresel DNA)’nın da olduğu oldukça geniş kapsamlı moleküler teknikler kullanılarakyapılmaktadır. Bu şekilde istilacı tür henüz logaritmik artış fazına girmedentanımlanabilmekte ve mücadele başlatılabilmektedir. Böylece hem ekolojik hem deekonomik kazanç sağlanmaktadır. İklim değişikliği etkilerinin istilacı tür başarısınıarttırması nedeni ile, istilacı türler ile olan mücadelenin kapsamı, iklim değişikliği ilemücadele kapsamında alınan tedbirler ölçüsünde genişletilmeli, etkin bir mücadele içinbirlikte değerlendirilmelidirler

Phylogeographic resolution of the barnacle (Chelonibia testudinaria) from the north-eastern mediterranean loggerhead sea turtles epibiont community

© 2021, Central Fisheries Research Inst. All rights reserved.Barnacles are common epibionts on a wide range of marine organisms, including turtles. Chelonibia testudinaria is a successful epibiotic barnacle species, and mainly turtles are responsible for their wide range dispersal. In the present study, the mitochondrial Cytochrome Oxidase I (COI) gene haplotypes of C. testudinaria from Caretta caretta hosts were evaluated. The samples were collected from three dead C. caretta turtle carapaces in 2014 from the Middle East Technical University, Institute of Marine Sciences coastline. Results were also compared with those samples submitted to databases (NCBI and BOLD-system, 139 in total). By comparison, three clades were recorded like previous studies: the Atlantic-Mediterranean clade (Clade-α), the Indian-Pacific Ocean clade (Clade-β), and Magdalena Bay (Eastern Pacific-Clade-γ) clade; all samples collected from Turkish shores clustered in the Atlantic-Mediterranean group (Clade-α). The gene flow between the three clades was deficient and highly significant (0.02, 0.03, and 0.03, respectively). According to network age estimation, present study samples’ clade (Clade-α) diverged from the Clade-β approximately 200 kya (SDs=0.22, SDy=4402.90) and Clade-γ 130 kya (SDs=0.17, SDy=3494.55). In the present study, eight haplotypes were observed in total, two of which were specific to the region