Identification of Antarctic freshwater diatom species using microscopic and molecular techniques
Antarktika tatlı su diyatom türlerinin mikroskopik ve moleküler teknikler kullanarak tanımlanması
- Tez No: 644021
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZLI OLĞUN KIYAK, DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET BAKİ YOKEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Biology
- Anahtar Kelimeler: Antarktika, Diatomlar, Antarctica, Diatoms
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yer Sistem Bilimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Diyatomlar silika kabuk yapılı ökaryotik sucul fitoplanktonlardır ve karbon döngüsü içinde yer alan pek çok biyojeokimyasal döngüde önemli roller üstlenmektedirler. İklim değişiminden en fazla etkilenen bölgelerden biri olan Antarktika, soğuk ve kurak iklimi ile kendine has bir doğaya sahiptir. Bu nedenle bu bölgede yaşayan organizmaların bir çoğunun farklı biyolojik özellikleri ve diğer bölgelerde görülmeyen türleri mevcuttur. Başta iklim olmak üzere Antarktika'da son yüzyılda meydana gelen değişimlerin canlılar üzerindeki etkilerini takip edebilmek için öncelikle mevcut biyoçeşitliliğin tespiti gerekmektedir. Diyatom çeşitliliğin çok fazla olması nedeniyle, hala tespit edilememiş türler de mevcuttur. Özellikle de Antarktika koşullarında çalışmanın zor olması, Antarktika diyatom türleri konusunda uzmanların azlığı ve tür tanımlamadaki genel sıkıntılar bu konuya çözüm üretmeyi ihtiyaç haline getirmiştir. Diyatom tür tayini çalışmalarında çoğunlukla morfolojik tanımlamalar kullanılmakta ve DNA analizleri nadiren gerçekleştirilmektedir. Ancak birçok diyatom türünün birbirlerine çok benzemesi beraberinde morfolojik tanımlamalarda kısıtlamalar getirmektedir. Bu çalışmada, Antarktika King George Adası'nda yer alan Fildes ve Ardley Yarımadaları'nda bulunan on bir farklı gölde ve Horseshoe Adası'nda bulunan 3 gölde; ışık mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve moleküler teknikler (eDNA) kullanılarak tatlı su diyatom tür tespiti gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, göl suyu örneklerindeki organik karbon içeriği ve diyatom bolluğu arasındaki ilişkiyi irdeleyebilmek amacıyla TS 8195EN1484 deney metodu takip edilerek toplam organik karbon (TOK) analizleri de yapılmıştır. Işık mikroskobu ve SEM kullanılarak gerçekleştirilen morfolojik tanımlamalarda toplamda 23 cins altında 73 türe ait 96 diyatom taksonu tespit edilmiştir. Bu diyatomların göllerdeki dağılımları ve bolluğu da raporlanmıştır. Tespit edilen 29 cinsin %50'den fazlasını Planothidium sp. (78%), Achanthidium sp. (78%), Nitzschia sp. (71%), Fragilaria sp. (64%), Pinnularia sp. (64%), Gomphonema sp. (57%), Achnanthes sp. (50%), ve Navicula sp. (50%) oluşturmaktadır. En sık rastlanan diyatom türleri şunlardır: Planothidium lanceolatum (50%), Achnanthidium dolomiticum (35%), Nitzschia homburgiensis (35%), Planothidium delicatulum (28%), Fragilaria capucina (28%), ve Pinnularia brebissonii (28%). İncelenen göllerde çoğunlukla pennate diyatomlara rastlanmıştır. Seyrek miktarda merkezli (centric) diyatom türlerine de rastlanmıştır (Göl 4, Göl 8 ve Gölet 2 örneklerinde). Diyatomların boyutları 3 μm ve 50 μm uzunluk ve 3 μm to 40 μm in genişlik aralığında değişmektedir. Örneklerdeki Pinnularia divergens en büyük diyatom türü iken Humidophila australis ve Achnanthidium türleri en ufak diyatom türlerini oluşturmaktadır. Diatom dışında farklı türler de gözlenmiştir. Kitiesh Gölü, Göl 1 ve Göl 6 örneklerinde bir kokolit ve tanımlanamayan bazı türler rapor edilmiştir. Normal formların haricinde anormal diyatom formları da tespit edilmiştir. Gölet 2'de F. capucina ve Achnanthidium minutissimum, Göl 5 örneğinde C. pseudocitrus ve Göl 6 örneğinde Planothidium victorii'nin anormal formları gözlenmiştir. Göl sularındaki TOK değerleri, cihazın saptama limitinin altında kalmasından dolayı tüm göller için <5 mg/l olarak ölçülmüştür. Mikroskop analizleri neticesinde, SEM'in diyatom yapılarının ayrıntılı görüntülenmesinde oldukça başarılı olduğu görülmüştür. Işık mikroskobu ise numuneler üzerinde daha uzun süre ve detaylı çalışma imkanı sunmuştur. Bu nedenle SEM görüntüleri sayıca daha az kalmış ve göremediğimiz birçok türün fotoğrafı ışık mikroskobu ile çekilebilmiştir. Bu görüntüler daha sonrasında SEM görselleri ile birleştirilmiş ve ortak bir tür tayini yapılmıştır. eDNA yöntemi bu çalışmada özellikle kullanılmak istenen yöntem olmuştur. Çünkü diyatom türlerindeki büyük benzerlik, morfolojik tanımlamayı hem zorlaştırmakta hem de bazı türler için yanlış sonuçlar vermektedir. Getirilen tüm numunelerden DNA başarılı bir şekilde izole edilmiştir. Ancak, örneklerde RuBisCO large subunit (rbcL) diatom spesifik gen kısmının polimeraz zincire reaksiyonu (PCR) ile çoğaltılması sadece 2020 Horshoe Adası örneklerinde başarılı olmuştur. 2017 ve 2019 King George Adası örneklerindeki hızlı diatom DNA hasarı, numune saklama koşullarına ve özellikle nükleaz engelleyici eklenmesinin önemine dikkat çekmektedir. 2020 yılına ait örneklerde ise diatom DNA'ları korunmuş ancak dizileme için gerekli miktarda DNA elde edilememiştir. Bu nedenle yeni nesil dizileme (NGS) yapılamamıştır. Yapılan analizler sonucunda sediment örneklerinin su örneklerine göre daha fazla diyatom içerdiği görülmüştür. Bunun sebebi sediment örneklerinde çöken diyatom kabuklarının yıllar içinde birikmesidir. Ayrıca, 2019 ve 2020 yılına ait su örneklerinde diyatom tür sayısı çok az olurken, 2017 yılına ait su örneklerinde kısmen daha fazla diyatom tespit edilmiştir. Ardley Yarımadası'nda yer alan Pond 2 ve Fildes Yarımadası'nda yer alan Lake 8 diyatom çeşitliliğinin en fazla olduğu göllerdir. Fildes Yarımadası'nda yer alan Lake 4 ve Lake 7 ile Horseshoe Adası'nın örneklenen tüm göller ise diyatom açısından en fakir göllerdir. Çalışmada elde edilen diyatom bollukları göllerdeki ölçülmüş klorofil-a değerleri ile de uyumluluk göstermektedir. Klorofil-a değeri diyatom bolluğunun en fazla olduğu göl olan Pond 2'de en yüksek (6.92 µg/l), diyatom bolluğunun en düşük olduğu göl olan Lake 4 ise en düşük (0.29 µg/l) olarak ölçülmüştür. Bu çalışmada kullanılan yöntemler takip edilerek Antarktika'da henüz çalışılmayan pek çok gölün daha mevcut diyatom türleri tespit edilebilir. Ayrıca, metabolik modeller kullanılarak iklim değişimin Antarktika'daki diyatom türleri üzerindeki olası etkileri araştırılabilir. Tatlı su diyatom tür çeşitliliğinin ortaya konulduğu bu çalışma, gelecek çalışmalara da bir temel oluşturma niteliğindedir.
Özet (Çeviri)
Diatoms are silica shelled eukoryatic aquatic phytoplanktons that are one of the most important organisms due to their roles in the various biogeochemical processes that involve in the carbon cycle. Antarctica, which has a unique nature with its cold and arid climate, is one of the most affected regions in terms of climate change. Due to the wide species variety of diatoms, there are still unreported lakes and possibly undetected species despite identified types of Antarctic diatoms. Therefore, understanding the diatom species composition and richness in freshwater environments in Antarctica is very critical. In general, diatom species are determined based on their morphologies only. DNA analyses are generally not performed. In this study, Antarctic lakes were examined for diatom species diversity by using both microscopic and molecular methods. Lake water and sediment samples from fourteen lakes that are located in the King George Island and Horseshoe Island in Antarctica were used for diatom species identification. Two of the sampling expeditions were done in the Fildes and Ardley Peninsulas in King George Island in 2017 and later in 2019 and the last sampling expedition were done in the Horseshoe Island in 2020. Light microscopy, scanning electron microscope (SEM) and eDNA were the main methods used. Also, total organic carbon (TOC) content of the lake water samples from King George Island were analyzed following TS 8195EN1484 method in order to compare the diatom abundances and the organic content within the samples. Based on the light microscopy and SEM analyses, a total of 96 taxa belonging to 23 genera were recorded and their relative abundance and distribution at the locations were determined. The genera found in more than 50% of the sampled regions were as follows: Planothidium sp. (78%), Achanthidium sp. (78%), Nitzschia sp. (71%), Fragilaria sp. (64%), Pinnularia sp. (64%), Gomphonema sp. (57%), Achnanthes sp. (50%), and Navicula sp. (50%). The most common species of them were as follows: Planothidium lanceolatum (50%), Achnanthidium dolomiticum (35%), Nitzschia homburgiensis (35%), Planothidium delicatulum (28%), Fragilaria capucina (28%), and Pinnularia brebissonii (28%). Most of the identified species were pennate diatoms except a few centric diatoms in Lake 4, Lake 8 and Pond 2 in King George Island. The sizes of diatoms ranged from 3 μm to 50 μm in length and from 3 μm to 40 μm in width. Pinnularia divergens was the longest diatom encountered in the samples, while Humidophila australis and Achnanthidium species were the shortest. Also, a coccolith species was found in Kitiesh Lake and unidentified genus in Lake 1 and Lake 6 were also reported. Besides normal forms, some abnormal forms of diatoms were also observed. Especially, F. capucina and Achnanthidium minutissimum in Pond 2, C. pseudocitrus in Lake 5, and Planothidium victorii in Lake 6. The TOC content of the all the samples were below the detections limit of a <5 mg / l. Lake sediment samples showed more diatom species compared to the lake water samples as a result of accumulation of settled diatom shells. The diatom frequency was very low in water samples that were collected in 2019 and 2020 compared to samples collected in 2017. Pond 2 that is located in Ardley Penninsula and Lake 8 that is located in Fildes Peninsula are the lakes with the highest variety and abundance of diatoms. Lake 4, Lake 7 and all Horseshoe Island samples were the lakes with the lowest diatom abundance and variety. Diatom abundances in the samples were consistent the chlorophyll-a (Chl-a) concentrations. Pond 2 with highest chl-a value (6.92 μg/L) was the most diatom abundant lake and while Lake 4 with lowest chl-a value (0.29 µg /L) was least diatom adundant lake. Because of the great morphological similarity of some diatom species, eDNA method has been the method that was particularly intended to be used in this study. DNAs were successfully isolated from all of the samples. However, the RuBisCO large subunit (rbcL) gene part that is specific to diatoms could be reproduced in polymerase chain reacton (PCR) only in 2020 Horseshoe Island samples. The DNA damage in 2017 and 2019 samples pointed out rapid damage of diatom DNA and highligths the importance of addition of nuclease blockers for right storage conditions of the samples. However, the amount of diatom DNA in the 2020 samples were not in the required amounts necessary for the new generation sequencing (NGS) method. Between the two microscope methods, SEM gave more successful results for morphological species determination compared to light microscope since it allowed higher resolution images that was necessary for detailed viewing of diatom structures. On the other hand, the light microscope offered a longer time and detailed study on the samples. All the images were then combined with SEM images and a common species designation was made. In conclusion, freshwater diatom species in fourteen Antarctic lakes in King George and Horseshoe Island were determined. This study also provided a basis for new studies in the future, and by knowing the diatom species distributions in Antarctic lakes, metabolic models can be used to understand the possible species-specific response to climate change in Antarctica.
Benzer Tezler
- Recombinant production and characterization of chitinase enzyme from Pseudomonas mandelii KGI_MA19
Pseudomanas mandelii KGI_MA19 organızmasına ait kitinaz enziminin rekombinant üretimi ve karakterizasyonu
EMİNE TUĞÇE SARAÇ CEBECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mikrobiyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. NEVİN GÜL KARAGÜLER
- Keremali Yaylası (Acari: ilkel oribatida) faunasının sistematik yönden incelenmesi
Systematic investigation of Keremali Plateau (Acari: primitive oribatida) fauna
İLAYDA ORHAN
- Isolation, ıdentification and cultivation of antarctic microalgae
Antarktik mikroalglerinin i̇zolasyonu, tanimlanmasi ve kültivasyonu
ARZU ÇELİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİDEM ÖZÇİMEN
- Antarktika yüzey sularında bulunan yarı uçucu organik bileşiklerin manyetik karıştırma çubuğu ekstraksiyonu gc-ms/ms analiz sistemi ile tespiti: Dağılım, olası kaynakların tespiti ve risk değerlendirmesi
Determination of semi-volatile organic compounds in antarctic surface waters by magnetic stir bar extraction gc-ms/ms analysis system: Distribution, identification of possible sources and risk assessment
MERVE TÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Çevre MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİM GENÇ
DOÇ. DR. OLTAN CANLI
- Antarktika kaynaklı örneklerden dalapon herbisitini parçalayan bakterilerin izolasyonu, karakterizasyonu ve tanısı
Isolation, characterization and identification of dalapon herbicide degrading bacterium from antarctic samples
SÜLEYMAN FARUK KIRKINCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
BiyoteknolojiOndokuz Mayıs ÜniversitesiTarımsal Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YILMAZ KAYA
DOÇ. DR. HASAN MURAT AKSOY