CRISPR APPLICATIONS IN SUSTAINABLE AGRICULTURE AND FOOD SAFETY

Abstract

Günümüzde dünya nüfusunun hızla artması, küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi faktörler sürdürülebilir tarım ve gıda güvenliğinin önemi artırmaktadır. Bunun yanı sıra tarımsal alanda kullanılan melezleme ve mutasyon gibi klasik ıslah teknikleri değişen bu faktörlerden dolayı yetersiz kalmaktadır. Bu nedenlerden tarım ve gıda alanındaki uygulamaların yanında modern biyoteknolojik yöntemlerin kullanılması önem arz etmektedir. Bu noktada önemli olan biyoteknolojik yöntemlerden biri olan CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) “kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarlar” uygulamaları sürdürülebilir tarım ve gıda güvenliği açısından bazı eksiklikleri gidermektedir. CRISPR alternatiflerinden ZFN (Zinc Finger Nucleas) ve TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) göre kullanımı kolay, kısa sürede sonuç alınan ve düşük maliyetli uygulamalardandır. Tarım alanında abiyotik stres faktörlerinden kuraklık stresine karşı, biyotik stres faktörlerinden zararlılara karşı dirençli, verimi ve besin değeri yüksek bitkilerin yetiştirilmesinde kullanılmaktadır. Gıda alanında zararlı mikroorganizmaların kontrolü ve yararlı mikroorganizmaların yönetilmesi ile gıda güvenliğinin sağlanması ve raf ömrünün uzatılması gibi oldukça geniş kullanım alanına sahiptir. CRISPR uygulama olarak genom üzerindeki bazı kısımlarda değişiklik ya da düzenlemeler yapılmasıdır. Hücre genomlarında özelleşmiş DNA bölümlerinde hedeflenen değişiklikleri yapabilmek için tasarlanan genom düzenleme, DNA’nın verimli ve hatasız şekilde düzenlemesi için kullanılan bir tekniktir. Örneğin, domates üzerine yapılan bir çalışmada yassı yaprak görünümünden sorumlu SlAGO7 (Argonaute7) geni CRISPR teknolojisiyle silinmiş ve iğne yaprak görünümü elde edilmiştir. Arabidopsis thaliana, Oryza sativa, Nicotiana benthamiana, Zea mays, Triticum aestivum, Marchantia polymorpha, Sorghum bicolor, Solanum lycopersicum, Citrus sinensis, Cucumis sativus, Brassica oleracea, Gossypium hirsutum, Glycine max, Lotus japonicus, Hordeum vulgare, Papaver somniferum ve Lactuca sativa dahil birçok bitkide başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Gıda güvenliği açısından da önemli indikatör bakterilerden E.coli strainlerini yok etmek için kullanılmıştır. Ayrıca gıda alanında risk oluşturan bakterilerden Listeria monocytogenes, Salmonella spp. ve Vibrio parahaemolyticus üzerine yok edici etkisi olduğu çalışmalarla ortaya koyulmuştur. Çalışma sonuçları, CRPISPR uygulamalarının kalıtsal olduğunu da göstermiştir. CRISPR yöntemi avantajlarının yanında riskleri ve yasal düzenlemeleri konusunda hala tartışmalıdır. Bu çalışmanın amacı, CRISPR uygulamalarının sürdürülebilir tarım ve gıda güvenliği alanındaki çalışmalarının avantajlarını ve risklerini kıyaslayarak gelecek çalışmalara ışık tutmaktır.

Today, factors such as the rapid increase in the world population, global warming, and climate change increase the importance of sustainable agriculture and food security. In addition, classical breeding techniques such as hybridization and mutation used in the agricultural field are insufficient due to these changing factors. For these reasons, it is important to use modern biotechnological methods in addition to agricultural and food applications. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), which is one of the important biotechnological methods at this point, eliminates some deficiencies in terms of sustainable agriculture and food safety. ZFN (Zinc Finger Nucleas) and TALEN (Transcription ActivatorLike Effector Nuclease), which are CRISPR alternatives, are easy to use, yield results in a short time and are low-cost applications. In the field of agriculture, it is used against drought stress, one of the abiotic stress factors, and against pests, one of the biotic stress factors, in the cultivation of plants with high yield and nutritional value. In the field of food, it has a wide range of applications, such as controlling harmful microorganisms and managing beneficial microorganisms, ensuring food safety and extending shelf life. CRISPR is the modification or editing of some parts of the genome as an application. Designed to make targeted changes in specialized DNA sections in cell genomes, genome editing is a technique used for efficient and error-free editing of DNA. For example, in a study on tomatoes, the SlAGO7 (Argonaute7) gene responsible for the needle-leaf appearance was deleted with CRISPR technology and a needle leaf appearance was obtained. It has been successfully applied to many crops including Arabidopsis thaliana, Oryza sativa, Nicotiana benthamiana, Zea mays, Triticum aestivum, Marchantia polymorpha, Sorghum bicolor, Solanum lycopersicum, Citrus sinensis, Cucumis sativus, Brassica oleracea, Gossypium hirsutum, Glycine max, Lotus japonicus, Hordeum vulgare, Papaver somniferum and Lactuca sativa. It has also been used to destroy E.coli strains, which are important indicator bacteria for food safety. In addition, studies have shown that it has an eradicating effect on Listeria monocytogenes, Salmonella spp. and Vibrio parahaemolyticus, bacteria that pose a risk in the food field. Study results also showed that CRPISPR applications are hereditary. In addition to its advantages, the CRISPR method is still controversial because of its risks and legal regulations. The aim of this study is to highlight future studies by comparing the advantages and risks of CRISPR applications in sustainable agriculture and food security.