Transkript
1 Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Bazı Biyokimyasal Parametreler ve Proteom Değişimleri Üzerine Etkilerinin Araştırılması YÜKSEK LİSANS TEZİ Nermin AKÇALI DANIŞMAN Doç. Dr. Mustafa YILDIZ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI Ağustos, 2014
2 Bu tez çalışması 13.FENED.06 numaralı proje ile Afyon Kocatepe Üniversitesi tarafından desteklenmiştir. AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ TUZ STRESİ ALTINDAKİ KANOLA FİDELERİNDE LİPOİK ASİT ve SALİSİLİK ASİT UYGULAMALARININ BAZI BİYOKİMYASAL PARAMETRELER ve PROTEOM DEĞİŞİMLERİ ÜZERİNE ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI Nermin AKÇALI DANIŞMAN Doç. Dr. Mustafa YILDIZ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI Ağustos, 2014
3 TEZ ONAY SAYFASI Nermin AKÇALI tarafından hazırlanan Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Bazı Biyokimyasal Parametreler ve Proteom Değişimleri Üzerine Etkilerinin Araştırılması adlı tez çalışması lisansüstü eğitim ve öğretim yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca 15/08/2014 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği/oy çokluğu ile Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyoloji Anabilim Dalı nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Doç. Dr. Mustafa YILDIZ Başkan : Prof. Dr. Yasemin EKMEKÇİ Hacettepe Üniversitesi, Fen Fakültesi İmza Üye : Doç. Dr. Mustafa YILDIZ Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Üye : Doç. Dr. Azmi YERLİKAYA Dumlupınar Üniversitesi, Tıp Fakültesi Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu nun.../.../... tarih ve. sayılı kararıyla onaylanmıştır.. Prof. Dr. Yılmaz YALÇIN Enstitü Müdürü
4 BİLİMSEL ETİK BİLDİRİM SAYFASI Afyon Kocatepe Üniversitesi çalışmasında; Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez - Tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, - Görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, - Başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, - Atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, - Kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, - Ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim Nermin AKÇALI
5 ÖZET Yüksek Lisans Tezi TUZ STRESİ ALTINDAKİ KANOLA FİDELERİNDE LİPOİK ASİT ve SALİSİLİK ASİT UYGULAMALARININ BAZI BİYOKİMYASAL PARAMETRELER ve PROTEOM DEĞİŞİMLERİ ÜZERİNE ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI Nermin AKÇALI Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyoloji Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Mustafa YILDIZ Bu araştırmada, hidroponik olarak büyütülen kanola (Brassica napus L. cv. Sary) fidelerinde NaCl toleransının arttırılmasında dışsal uygulanan lipoik asit (LA) ve salisilik asidin (SA) koruyucu potansiyelleri incelenmiştir. Bu amaçla, 18 günlük kanola fideleri altı farklı uygulama grubuna (kontrol, LA, SA, NaCl, NaCl+LA ve NaCl+SA) ayrılmış ve 7 gün daha büyütülmüşlerdir. Fidelerin yapraklarına gün aşırı 0.1 mm LA veya SA spreylenmiştir. Uygulamaları takiben fide büyümesi, klorofil içeriği, malondialdehit (MDA) içeriği, prolin içeriği, sistein içeriği, protein olmayan tiyol (NPT) içeriği, antioksidan [askorbat (AsA) ve glutatyon (GSH)] içerikleri ve antioksidan enzimlerin [süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX), guaiakol peroksidaz (POD) ve katalaz (CAT)] aktivitesi 25 günlük fidelerde belirlenmiştir. Tuz stresi gövde ve kök büyümesi, AsA ve GSH içeriklerini azaltmış, malondialdehit (MDA), prolin, sistein ve NPT içeriklerini ve SOD, POD, CAT ve APX gibi antioksidan enzimlerin aktivitesini arttırmıştır. Bununla birlikte, dışsal LA ve SA uygulamaları fide büyümesindeki NaCl teşvikli azalmayı hafifletmiş ve MDA içeriğini azaltmıştır. LA ve SA uygulamaları prolin içeriğini etkilememiştir. LA ve SA uygulamaları prolin içeriğini etkilememiştir. Tuz stresi altındaki fidelerde LA ve SA uygulamaları sistein içeriğini daha fazla arttırırken, NPT içeriğini azaltmıştır. Tuz stresi altındaki fidelerde AsA içeriği dışsal LA i
6 uygulamasında daha fazla azalırken, SA uygulaması önemli bir etki göstermemiştir. Tuz stresi altında, sadece SA uygulaması GSH içeriğini arttırmıştır. Tuz stresi altındaki fidelerde dışsal LA ve SA uygulamaları POD ve CAT aktivitelerini arttırırken, APX aktivitesinde azalmaya neden olmuştur. Bu sonuçlar, kısa süreli tuz stresi altında savunma sistemlerini etkileyerek fide büyümesinin arttırılmasında LA nın en az SA kadar etkili olabileceğini göstermektedir. Bu çalışmanın ikinci basamağında, kanola fidelerinde tuza tolerans mekanizmaları üzerine dışsal uygulanan LA nın etkisi proteomik yaklaşım kullanılarak araştırılmıştır. Bu amaçla, kontrol, LA, NaCl ve NaCl+LA uygulamalarına maruz kalan kanola fidelerinin yaprak dokularından elde edilen proteinler, iki-yönlü (2-D) jel elektroforez [izoelektrik fokuslama (IEF)/Sodyum dodesil sülfat-poliakrilamid jel elektroforez (SDS-PAJE)] ve MALDI-TOF/TOF kütle spektrometrisi tanımlanmıştır. İfade profilinde değişiklik gösteren 28 proteinden 22 si tanımlanmıştır. Bu proteinlerin 17 si artan yönde ve 5 i ise azalan yönde düzenlenmiştir. Sadece LA uygulaması ile 5 (fotosistem II reaksiyon merkezi PSB28 proteini, tiyoredoksin M-tip 4, 50S ribozomal protein L12-3, 2-Cys peroksiredoksin BAS1 ve sedoheptulo-1,7-bifosfataz) proteinin ifadesi artan yönde düzenlenmiştir. Bununla birlikte, karbonik anhidraz, magnezyum-şelataz altbirim chli, RuBisCO aktivaz, triozfosfat izomeraz ve tiazol biyosentetik enziminin ifade seviyeleri NaCl stresi veya LA uygulaması tarafından azalan yönde düzenlenmiştir. Tanımlanan proteinlerin fotosentez, enerji metabolizması, stres savunma ve sinyal iletiminde fonksiyon gördüğü belirlenmiştir. Tuz stresi altındaki kanola fidelerinde LA nın iyileştirici etkilerinin proteomik çalışma ile ortaya konulması tuza tolerans mekanizmalarında proteinlerin fonksiyonlarını değerlendirmede yeni bir bakış açısı sağlamıştır. 2014, xii + 94 sayfa Anahtar kelimeler: Brassica napus L., Lipoik asit, Salisilik asit, Tuz toleransı, Proteomik ii
7 ABSTRACT M.Sc Thesis INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF LIPOIC ACID AND SALICYLIC ACID APPLICATIONS ON SOME BIOCHEMICAL PARAMETERS AND PROTEOME CHANGES IN CANOLA SEEDLINGS UNDER SALINITY STRESS Nermin AKÇALI Afyon Kocatepe University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Biology Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Mustafa YILDIZ In this study, the protective potential of exogenously applied lipoic acid (LA) and salicylic acid (SA) in inducing salinity tolerance in hydroponically grown canola (Brassica napus L. cv. Sary) seedlings. For this purpose, 18 day-old canola seedlings divided into six treatment groups (control, LA, SA, NaCl, NaCl+LA and NaCl+SA), and they were grown another seven days. The leaves of seedlings were sprayed every alternate day with 0.1 mm of LA or SA. Following these treatments, the seedling growth, chlorophyll content, malondialdehyde (MDA) content, proline content, cysteine content, non-protein thiol (NPT) content, antioxidant [ascorbate (AsA) and glutathione (GSH)] contents and activities of some antioxidant enzymes [superoxide dismutase (SOD), guaiacol peroxidase (POD), catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX)] were determined in 25-day-old canola seedlings. Salinity stress decreased the growth of shoots and roots and contents of AsA and GSH, and increased the contents of malondialdehyde (MDA), proline, cysteine and NPT and the activities of antioxidant enzymes such as SOD, POD, CAT and APX. However, exogenous applications of LA or SA alleviated the salt stress-mediated seedling growth and decreased the MDA content. LA or SA applications could not influence the proline content. While the LA and SA applications more increased the cysteine content, decreased NPT content in iii
8 seedlings under salinity stress. Exogenous application of LA further reduced AsA content in salt-stressed seedlings, while SA had no significant impact in this respect. Under salinity stress, only SA application improved the GSH content. Exogenous applications of LA or SA increased the activities of POD and CAT, while these applications caused reduction in the APX activity of the salt-stressed seedlings. These results suggest that under short-term salinity stress, LA is at least as effective as SA for improving growth by influencing defense systems. In the second stage of this study, the influence of exogenously applied LA on the salt tolerance mechanism in seedlings of canola was investigated using proteomic approach. For this purpose, proteins from the leaf tissues of canola seedlings subjected to control, LA, NaCl and NaCl+LA treatments were identified by two-dimensional (2-D) gel electrophoresis [isoelectric focusing (IEF)/Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS/PAGE)] and MALDI-TOF/TOF mass spectrometer. Among the 28 proteins exhibiting alterations in expression pattern, 22 proteins were identified. Among them, 17 proteins were up-regulated and 5 proteins were down-regulated. The expression levels of 5 proteins (photosystem II reaction center PSB28 protein, thioredoxin M-type 4, 50S ribosomal protein L12-3, 2-Cys peroxiredoxin BAS1 and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase) were regulated by only LA treatment. However, the expression levels of carbonic anhydrase, magnesium-chelatase subunit chli, RuBisCO activase, triosephosphate isomerase and thiazole biosynthetic enzyme ware down-regulated by NaCl stress or LA application. The identified proteins were involved in various cellular responses and metabolic processes such as photosynthesis, energy metabolism, stress defense and signal transduction. The revealing of the protective roles of LA in canola seedlings under salt stress by proteomics study provides new insight to evaluating protein functions in salt tolerance mechanisms. 2014, xii + 94 pages Keywords: Brassica napus L., Lipoic acid, Salicylic acid, Salinity tolerance, Proteomics iv
9 TEŞEKKÜR Bu araştırmanın konusu, deneysel çalışmaların yönlendirilmesi, sonuçların değerlendirilmesi ve yazımı aşamasında yapmış olduğu büyük katkılarından dolayı tez danışmanım Sayın Doç. Dr. Mustafa YILDIZ a, araştırma ve yazım süresince yardımlarını esirgemeyen doktora öğrencisi Sayın Hakan TERZİ ye, her konuda öneri ve eleştirileriyle yardımlarını gördüğüm hocalarıma ve arkadaşlarıma teşekkür ederim. Bu araştırma boyunca maddi ve manevi desteklerinden dolayı aileme de teşekkür ederim. Nermin AKÇALI AFYONKARAHİSAR, 2014 v
10 İÇİNDEKİLER DİZİNİ Sayfa ÖZET...i ABSTRACT... iii TEŞEKKÜR... v İÇİNDEKİLER DİZİNİ... vi SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ... ix ŞEKİLLER DİZİNİ... x ÇİZELGELER DİZİNİ... xii 1. GİRİŞ LİTERATÜR BİLGİLERİ Kanola (Brassica napus L.) Bitkisi Lipoik Asit Salisilik Asit Fizyolojik Rolleri Bitki Tuz Toleransında Dışsal Salisilik Asit Uygulaması Bitkilerde Tuz stresi ve Proteom Değişimleri Fotosentez ve Solunum Metabolizması Reaktif Oksijen Türlerine (ROT lar) Karşı Savunma Sistemleri Tuz Stresine Cevapta Sinyal Yolları İyon Homeostazisi Transkripsiyon ve Protein sentezi Hücre İskeleti ve Hücre Çeperi Bileşenleri MATERYAL ve METOT Bitki Yetiştirme Koşulları ve Uygulamalar vi
11 3.2 Toprak Üstü Organların Taze ve Kuru Ağırlıklarının Belirlenmesi Fotosentetik Pigment İçeriğinin Belirlenmesi Prolin İçeriğinin Belirlenmesi Sistein ve Tiyol İçeriklerinin Belirlenmesi Lipid Peroksidasyonunun Belirlenmesi Antioksidan Enzim Aktiviteleri ve Antioksidanların İçeriklerinin Belirlenmesi Enzim Ekstraksiyonu Süperoksit Dismutaz (SOD) Aktivitesinin Belirlenmesi Askorbat Peroksidaz (APX) Aktivitesinin Belirlenmesi Guaiakol Peroksidaz (POD) Aktivitesinin Belirlenmesi Katalaz (CAT) Aktivitesinin Belirlenmesi Askorbat (AsA) ve Glutatyon (GSH) İçeriklerinin Belirlenmesi Proteomik Analizler Protein Ekstraksiyonu İki Yönlü (2-D) Jel Elektroforezi Görüntü Analizleri Jelde Triptik Kesim Kütle Spektrometrisi Analizleri İstatistiksel Analizler BULGULAR Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Fide Büyümesi Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Lipid Peroksidasyonu Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi vii
12 4.3 Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Klorofil İçeriği Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Prolin İçeriği Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Sistein ve NPT İçerikleri Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Askorbat ve Glutatyon İçerikleri Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Antioksidan Enzimlerin Aktivitesi Üzerine Dışsal Lipoik Asit ve Salisilik Asit Uygulamalarının Etkisi Tuz Stresi Altındaki Kanola Fidelerinde Proteom Değişimleri Üzerine Dışsal Lipoik Asit Uygulamasının Etkisi TARTIŞMA ve SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ viii
13 SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler dh 2 O Distile su H 2 O 2 Hidrojen peroksit HCl Hidroklorik asit OH Hidroksil radikali ma Miliamper µm Mikromolar mm Milimolar µg Mikrogram µl Mikrolitre O 2 Süperoksit radikali Kısaltmalar POD GSH GR LA MDA NADPH NBT NPT GSSG PAJE PT ROT SA SOD TBA TCA Guaiakol peroksidaz Glutatyon Glutatyon redüktaz Lipoik asit Malondialdehit Nikotinamid adenin dinükleotit fosfat Nitro blue tetrazolium Proteine bağlı olmayan tiyol Okside glutatyon Poliakrilamid jel elektroforez Proteine bağlı tiyol Reaktif oksijen türleri Salisilik asit Süperoksit dismutaz Tiyobarbütirik asit Trikloroasetik asit ix
14 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1 Lipoik ve dihidrolipoik asidin kimyasal yapısı Şekil 2.2 Antioksidan metabolitlerin yeniden oluşturulmasında rol oynayan enzimatik ve enzimatik olmayan antioksidan savunma sisteminin şematik gösterimi Şekil 2.3 Salisilik asit biyosentezi ve metabolizması için biyosentetik yol Şekil 2.4 Tuz-teşvikli ve tuz stresi ile azalmış farklı fonksiyonel kategorideki proteinlerin ifade profilleri Şekil 2.5 Bitkilerde ROT savunma sisteminde tuza cevapta proteinler/enzimlerin şematik gösterimi Şekil 4.1 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında malodialdehit (MDA) içeriği üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.2 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında klorofil içeriği üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.3 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında prolin içeriği üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.4 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında sistein içeriği üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.5 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında non-protein tiyol (NPT) içeriği üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.6 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında askorbat (AsA) içeriği ve AsA/DHA oranı üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.7 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında glutatyon (GSH) içeriği ve GSH/GSSG oranı üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi.. 46 x
15 Şekil 4.8 NaCl stresi altındaki kanola fidelerinin yaprak dokularında (a) süperoksit dismutaz (SOD), (b) guaiakol peroksidaz (POD), (c) katalaz (CAT) ve (d) askorbat peroksidaz (APX) aktivitesi üzerine dışsal LA veya SA uygulamalarının etkisi Şekil 4.9 Kontrol, LA, NaCl ve NaCl+LA uygulamalarına maruz bırakılan kanola fidelerinin yaprak dokularından ekstrakte edilen proteinlerin iki-yönlü (2-D) elektroforetik profilleri Şekil 4.10 Şekil 4.9 da ifadesinde değişiklik gösteren protein beneklerinin büyütülmüş gösterimi xi
16 ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 3.1 Kanola fidelerinin maruz bırakıldığı uygulama grupları Çizelge 4.1 Tuz stresi altındaki kanola fidelerinin toprak üstü ve kök taze (TA) ve kuru (KA) ağırlıkları üzerine dışsal LA ve SA uygulamalarının etkisi Çizelge 4.2 Kontrol, LA, NaCl ve NaCl+LA uygulamalarına maruz bırakılan kanola fidelerinin yaprak dokularında MALDI-TOF/TOF kütle spektrometrisi ile tanımlanmış proteinler Çizelge 4.3 MALDI-TOF/TOF kütle spektrometrisi ve MASCOT taraması ile tanımlanan proteinlerin fonksiyonlarına göre sınıflandırılması ve hücresel lokalizasyonu xii
17 1. GİRİŞ Toprak tuzluluğu dünyada bitki verimliliğini oldukça sınırlayan önemli abiyotik strestir. Dünyadaki karasal alanların %6'dan fazlasının ve sulanan alanların yaklaşık %20'sinin tuzluluktan etkilendiği tahmin edilmektedir (Munns and Tester 2008). Tuz stresi giderek artan ciddi bir problem olup; bitkilerin tuza toleransını geliştirmede genetik mühendisliği teknolojileri gibi stratejilerin kullanımı önemlidir. Tuz stresine tolerans, bitki transkriptomu, proteomu ve metabolomunun kompozisyonundaki değişikliklere eşlik eden gen ifadesindeki önemli değişiklikleri kapsamaktadır. Fizyolojik, moleküler genetik ve fonksiyonel genomik çalışmalarla tuz toleransı hakkında önemli bilgiler sağlanmıştır. Bitkinin tuza cevabı ve adaptasyonunda fonksiyonları olan ozmolit sentezi, iyon kanalları, sinyal faktörleri ve tuza cevap enzimlerine ait proteinleri kodlayan bazı önemli genler klonlanmış ve karakterize edilmiştir (Tuteja 2007). İlaveten, büyük ölçekli transkriptomik çalışmalar, mrna seviyesinde gen ifadesi ile ilgili veriler sağlamıştır (Puranik et al. 2011, Xu et al. 2013, Podda et al. 2014). Bu veriler, farklı bitkilerde tuza cevap genlerinin evrensel bir görüşünü sunar. Bununla birlikte, post-transkripsiyonal kanıtlar ve post-translasyonal modifikasyonlar (fosforilasyon ve glikosilasyon gibi), mrna seviyelerinin genellikle proteinlerin ifade seviyeleri ile ilişkili olmadığını göstermiştir. Bitki stres cevabını direkt olarak yansıtan bu durum, bitki proteomunun önemini ortaya koymaktadır. Enzimlere ilaveten proteinler, transkripsiyon ve translasyon mekanizmalarının bileşenlerini kapsadığından transkript ve protein seviyesinde bitki stres cevabını regüle edebilir (Kosová et al. 2011). Böylece, protein seviyesinde stres koşullarına bitki cevabının incelenmesi, bitki stres toleransının altında yatan fizyolojik mekanizmaları ortaya çıkarmak için oldukça kuvvetli bir araçtır. Proteomik ve özellikle kantitatif proteomik, tarımsal bitkilerin abiyotik stres toleransını araştırmada güçlü bir tekniktir. Proteomik, stres ve toleransla ilişkili yeni proteinlerin kantitasyonu ve hızlı kimliklendirilmesi potansiyelini sağlamaktadır (Barkla et al. 2013). Büyük ölçekli kantitatif proteomik teknolojileri proteom çalışmalarını kolaylaştırmaktadır. İki-yönlü elektroforez (2-DE) ve DIGE (difference gel electrophoresis) yaklaşımları tuza cevap proteinlerini belirlemek için kullanılmıştır. 2-1
18 DE, yüksek çözünürlüklü protein ayırma, özellikle protein izoform analizi için güçlü bir teknolojidir. DIGE ise 2-DE'nin bazı sınırlamalarını (örneğin; verimlilik, tekrar edilebilirlik ve duyarlılık) ortadan kaldırabilmektedir. Bazı kütle spektrometresi (MALDI-TOF/TOF MS, LC-MS/MS gibi) cihazları protein kimliklendirmesi için kullanılmaktadır. Bu teknolojiler temelinde, mevcut proteomik çalışmalar ile bazı proteinlerin tuza tepki olarak sentezlendiği belirlenmiştir (Gao et al. 2011, Yang et al. 2012, Li et al. 2013b). Ozmotin (Qureshi et al. 2007), reaktif oksijen türleri ile savaşan enzimler (Abbasi and Komatsu 2004) ve patojen ilişkili (Dani et al. 2005) proteinler gibi stres proteinleri tuza tolerans geliştirmede önemli moleküler markörler olarak kullanılmıştır. Tuz stresi tarımsal üretimi sınırlamakta ve üretimde yaklaşık %50 kayba neden olduğu tahmin edilmektedir (Kreps et al. 2002). Bu nedenle, tarımsal bitkilerde tuz toleransının arttırılması için başarılı stratejilere gereksinim duyulmaktadır. Tuz stresine toleranslı tarımsal bitkilerin üretilmesi geleneksel seleksiyon ve ıslah yöntemleri veya modern moleküler biyoloji yaklaşımları ile sağlanabilmektedir. Bitki ıslahçıları geleneksel ıslah veya transgenik yaklaşım ile tuza toleranslı genotipleri üretmiş olmasına karşın (Ashraf and Akram 2009), abiyotik stres toleransının genetik olarak kompleks mekanizmaları bu durumu oldukça zorlaştırmaktadır (Vinocur and Altman 2005). Son yıllarda, salisilik asit (SA), poliaminler (PA), absisik asit (ABA) ve jasmonik asit (JA) gibi bazı bitki büyüme düzenleyicilerinin bitkilerde tuz toleransının arttırılmasında kullanılabileceği fikri ortaya çıkmıştır (Yoon et al. 2009, Roychoudhury et al. 2011, Singh and Gautam 2013, Sripinyowanich et al. 2013). Bitkilerde kompleks fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler değişimlere neden olan çevresel stresler içsel bitki büyüme düzenleyicilerinin seviye ve oranlarını değiştirebilmektedir (Wang et al.2005a; Ashraf et al. 2008). Bu değişimler stres koşullarında bitki büyüme ve gelişimini etkileyen ciddi metabolik bozukluklara neden olmaktadır. Genel olarak tuz stresi bitki büyüme düzenleyicilerinin sentezini azaltmakta veya degradasyona neden olabilmektedir (Kuiper et al.1988). Çevresel stres koşulları altındaki bitkilere dışsal uygulanan bitki büyüme düzenleyicilerinin, içsel büyüme düzenleyicilerinin konsantrasyonlarındaki eksikliği ortadan kaldırabilmekte ve stresin inhibe edici etkisini azaltabilmektedir (Ashraf and Foolad 2007, Ashraf et al. 2
19 2008). Bununla birlikte, bu etkilerin altında yatan mekanizmalar tam olarak bilinmemekte ve tuz toleransındaki artış direkt olarak bu bileşiklerin fizyolojik rolleri ile ilişkili olmadığı bildirilmektedir (Ashraf et al. 2008). Bilinen diğer birçok bitki büyüme düzenleyicileri ve SA, tuz stresine maruz kalan bitkilerde birçok metabolik olayı düzenleyerek bitki büyüme ve gelişiminde önemli rol oynamaktadır (Ashraf et al.2010, Hussain et al. 2011). Salisilik asit birçok patojene karşı oluşturulan bitki savunma cevaplarında önemli role sahip bir sinyal molekülüdür (Snyman and Cronjé 2008). Bununla birlikte, SA nın tuzluluk, kuraklık, sıcaklık ve ağır metaller gibi birçok strese karşı oluşturulan bitki cevaplarının düzenlenmesinde önemli rollere sahip olduğu bildirilmiştir (Hayat et al. 2010). Bu bulgular, SA nın oldukça kompleks stres cevaplarına katılan birkaç fonksiyonel molekülle veya diğer sinyal molekülleri ile etkileşime girerek stres toleransını arttırabileceğini ileri sürmektedir. Lipoik asit (LA); pirüvat ve glisin metabolizmasında fonksiyon gören bazı enzimlerin (pirüvat dehidrogenaz kompleksi ve glisin dekarboksilaz kompleksi) kofaktörü olarak işlev gören ve kükürt içeren bir moleküldür (Gueguen et al. 2000). Enerji metabolizmasındaki işlevlerinin yanında LA, hem indirgenmiş dihidrolipoik asit (DHLA) hem de yükseltgenmiş lipoik asit (LA) formlarında koruyucu fonksiyonlarını koruyabilen eşsiz bir antioksidan moleküldür (Navari-Izzo et al. 2002). Tuz stresi altındaki bitkilerde LA nın rolünü belirleyen birkaç çalışma olmasına karşın (D Amico et al. 2004, Pérez- López et al. 2010), tuz stresinin teşvikinde dışsal uygulanan LA nın etkilerini araştıran bir çalışma bulunmamaktadır. Bu araştırmada, kanola (Brassica napus L. cv. Sary) fidelerinde dışsal lipoik asit (LA) ve salisilik asit (SA) uygulamalarının tuz toleransı ve tuz stresi altındaki fidelerde LA uygulamasının proteom değişimleri üzerine etkilerinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, 18 günlük kanola fideleri artan NaCl konsantrasyonlarına [50 mm (24 sa), 100 mm (24 sa) ve 150 mm (5 gün)] maruz bırakılırken, tuz stresi ile birlikte yapraklara spreyleme yoluyla 0.1 mm LA veya SA gün aşırı uygulanmıştır. LA ve SA uygulamalarının 3
20 7. gününde, büyüme parametreleri (kök ve toprak üstü dokuların taze ve kuru ağırlıkları), yaprak dokularında fotosentetik pigment içeriği, prolin içeriği, sistein ve tiyol içerikleri, lipid peroksidasyonu, antioksidan bileşiklerin [askorbat (AsA) ve glutatyon (GSH)] içerikleri, bazı antioksidan enzimlerin [süperoksit dismutaz (SOD), peroksidaz (POD), askorbat peroksidaz (APX), katalaz (CAT)] aktiviteleri belirlenmiştir. İlaveten, tuz stresi altındaki kanola fidelerinde dışsal lipoik asit uygulamasının yaprak proteom değişimleri üzerine etkisi 2-D [İzoelektrik fokuslama-sds-poliakrilamid jel elektroforez (IEF-SDS/PAJE)] tekniği ve kütle spektrometresi kullanılarak araştırılmıştır. 4
21 2. LİTERATÜR BİLGİLERİ 2.1 Kanola (Brassica napus L.) Bitkisi Brassicaceae familyası yaklaşık 338 cins ve 3709 türden oluşmaktadır (Warwick et al. 2006). Bu familyada bir yağ bitkisi olarak üretimi yapılan kanola kışlık ve yazlık olarak ekilmektedir. Kanola Türkiye de yaklaşık 7.8 milyon dekar yağlı tohum ekiliş alanının 311 bin dekarını ve yaklaşık 3.3 milyon ton yağlı tohum üretiminin 102 bin tonu ile ayçiçeği, çiğit, soya fasulyesi ve yer fıstığından sonra yer alan bir bitkidir (TÜİK 2013). Yüksek erusik asit seviyesine ve tohumları işlendikten sonra kükürt yönünden zengin glukozinolatlara sahip olan kolza bitkisi insan sağlığı için risk oluşturduğundan dolayı, bu bileşenleri düşük seviyede içeren kanola (Canadian Oil Low Acid) çeşidi Kanada da ıslah edilmiştir. Düşük oranda yağ asitleri içeren kanola bitkisinin Dünya daki ekim alanı 34.1 milyon ha ve üretimi 65.1 milyon tondur. Dünya daki en fazla yıllık kanola üretimi Kanada da 15.4 milyon ton olarak belirlenmiştir (FAO 2012). 2.2 Lipoik Asit Lipoik asit (LA); pirüvat ve glisin metabolizmasında fonksiyon gören bazı enzimlerin (pirüvat dehidrogenaz kompleksi ve glisin dekarboksilaz kompleksi) kofaktörü olarak işlev gören ve kükürt içeren bir moleküldür (Şekil 2.1) (Gueguen et al. 2000). Bitkilerde LA biyosentezinin sadece mitokondrilerde değil, plastitlerde de mevcut olduğu bildirilmiştir (Wang et al. 1991). Enzimatik olmayan antioksidanlar arasında LA, hem yükseltgenmiş LA hem de indirgenmiş dihidrolipoik asit (DHLA) formlarının (Şekil 2.1) koruyucu fonksiyonlarını sürdürmesinde özgün olmasına rağmen DHLA çok daha etkili bir antioksidandır. DHLA/LA oranı, tuzun metabolik etkilerine bağlı olarak değişmektedir (Navari-Izzo et al. 2002). Nispeten düşük moleküler ağırlıklı ve karboksilik asit uç-grubuyla 8-karbon zinciri olması nedeniyle su ve lipidte çözünebilir 5
22 Şekil 2.1 Lipoik ve dihidrolipoik asidin kimyasal yapısı. olan DHLA, hücre membranındaki antioksidanların aktivitesi (α-tokoferol) ile sitoplazmadaki antioksidanların [askorbik asit (AsA) ve glutatyon (GSH)] aktivitesi arasında bağlantı kurarak antioksidan ağını kuvvetlendirir (Şekil 2.2) (Navari-Izzo et al. 2002). LA ya göre daha düşük redoks potansiyeline sahip olan DHLA glutatyon ve askorbatı indirgeyebilir (Gossett et al. 1994). Hidroperoksil, singlet oksijen ( 1 O 2 ), O 2, OH gibi reaktif oksijen türlerinin temizlenmesinde LA direkt olarak işlev görmektedir (Navari-Izzo et al. 2002). Sadece LA formu, tiyosülfinatları ve tiyosülfonatları oluşturan singlet oksijen ile reaksiyona girme yeteneğindedir (Borbe and Ulrich 1989). LA, dehidrogenazın substratından NAD(P) + ye elektronları taşıyan, bir redoks çifti olarak fonksiyon gören farklı multienzim komplekslerini kapsamaktadır (Navari-Izzo et al. 1988). Böylece GSH ve AsA nın okside formlarına (GSSG ve DHA) bir elektron vererek bu bileşiklerin indirgenmesini sağlayabilmektedir (Şekil 2.2) (Biewenga et al. 1997). İndirgenmiş form olan DHLA nın hayvan mitokondrilerinde lipid peroksidasyonuna karşı hücrelerin korunmasında rol oynadığı gösterilmiştir (Lapenna et al. 2003). Lipoik asit içeriği buğday, patates, domates ve kuşkonmaz gibi bitki türlerinde de varolduğu belirlenmiştir (Navari-Izzo et al. 2002, D Amico et al. 2003, Sgherri et al. 2007, 2008). Gövdeye göre köklerde daha fazla miktarda bulunan LA nın gövdedeki plastitlere taşınım için sentezlenmediği; ancak direkt olarak tuzluluğa maruz kalındığında savunma sistemlerine katkıda bulunabilmek için sentezlendiği ileri sürülmüştür (D Amico et al. 2004). Kloroplastlarda LA sentezi bu organellerde savunma sistemine önemli katkı sağladığının bir göstergesidir. Bununla birlikte, tuz stresini takiben DHLA nın gövdelerde azalması ve köklerde artması direkt olarak oksidatif strese maruz kalan bitki 6
23 kısımlarında içsel antioksidanların oluşması gerekliliğini bildiren bir sinyal olabilir (D Amico et al. 2004). Tuz stresi altındaki bitkilerde, içsel LA ve tuz toleransı arasında birkaç çalışma olmasına karşın (D Amico et al. 2004, Pérez-López et al. 2010), tuz toleransının teşvikinde dışsal LA uygulamasının etkilerini araştıran bir çalışma bulunmamaktadır. Pérez-López et al. (2010), tuza toleranslı ve hassas arpa çeşitleri arasında antioksidan metabolizmasında farklılıkların olduğunu bildirmiştir. Bu bağlamda, artan tuz konsantrasyonuna bağlı olarak tuza toleranslı arpa çeşidinde hassas çeşide göre DHLA nın önemli düzeyde yüksek miktarlarda varolduğunu belirlemişlerdir (Pérez-López et al. 2010). Şekil 2.2 Antioksidan metabolitlerin yeniden oluşturulmasında rol oynayan enzimatik ve enzimatik olmayan antioksidan savunma sisteminin şematik gösterimi. APX, askorbat peroksidaz; AsA, indirgeniş askorbat; DHA, dehidroaskorbat; DHAR, dehidroaskorbat redüktaz; DHLA, dehidrolipoik asit; GR, glutatyon redüktaz; GSH, indirgenmiş glutatyon; GSSG, okside glutatyon; LA, okside lipoik asit; MDA, monodehidroaskorbat; MDHAR; monodehidroaskorbat redüktaz. 7
24 2.3 Salisilik Asit Salisilik asit (SA), bitkilerde birçok metabolik ve fizyolojik cevabı oluşturan ve dolayısıyla bitki büyüme ve gelişmesini etkileyen içsel bir bitki büyüme düzenleyicisidir (Hayat et al. 2010). SA, lokal patojen saldırısına karşı bitki savunma cevaplarında (hipersensitif cevap) ve sistemik kazanılmış dirençte önemli rol oynamaktadır (Alverez 2000). SA stres koşullarında büyüme, gelişme ve savunma cevaplarında önemli rol oynayan bitki bir sinyal molekülüdür (Cameron 2000). Bitkilerde hastalık direnci sağlamasının yanında SA, birçok stres durumuna karşı bitki cevaplarını düzenleyebilmektedir (Shirasu et al. 1997). Bitkilerde SA, primer metabolit korizmat gerektiren iki farklı enzimatik yol aracılığı ile oluşturulabilmektedir (Garcion and Métraux 2006, Wildermuth 2006). Korizmatkökenli L-fenilalanin, ilk olarak fenilalanin amonyak liyaz (PAL) ile katalizlenen bir seri enzimatik reaksiyonlarla hem benzoat ara ürünleri hem de kumarik asit yoluyla SA'ya dönüştürülebilmektedir (Şekil 2.3). PAL enzimi farklı abiyotik ve biyotik stresler tarafından teşvik edilen, çok fonksiyonlu fenoliklerin farklı tiplerinin ortaya çıkmasına neden olan fenilpropanoid yolunun anahtar düzenleyicisidir (Yalpani et al.1991). Korizmat, izokorizmat sentaz (ICS) ve izokorizmat pirüvat liyazın (IPL) fonksiyon gördüğü iki basamaklı reaksiyonla izokorizmat aracılığıyla SA'ya dönüştürülebilmektedir (Şekil 2.3) (Wildermuth et al. 2001, Strawn et al. 2007). Arabidopsis te izokorizmat sentaz enzimini kodlayan iki gen (ICS1 ve ICS2) teşhis edilmiştir. Patojen direncinin yanı sıra SA üretiminin ciddi şekilde azaldığı fonksiyonel ICS1 den yoksun mutantlarda, ICS1 in patojen veya UV ışığı ile teşvik edilen SA üretiminin yaklaşık %90'ından sorumlu olduğu gösterilmiştir (Wildermuth et al. 2001, Garcion et al. 2008). ics1/ics2 çift mutantında rezidüel SA'nın ortaya çıkışı, Arabidopsis'de ICS yolunun tek SA kaynağı olmadığını doğrulamaktadır (Garcion et al. 2008). Bitkide üretilen salisilik asidin çoğu, patojen teşvikli SA glukozil transferaz (SAGT) ile SA O-β-glukozide (SAG) dönüştürülür (Şekil 2.3) (Dean et al. 2005, Song 2006). Arabidopsis te SAGT enzimini kodlayan iki gen tanımlanmıştır: Biri tercihen SA'yı SAG'a çevirirken, diğeri daha az bolluktaki SA türevi olan salisiloil glukoz esteri (SGE) oluşturur (Dean and Delaney 2008). SA muhtemelen 8
25 kloroplastlarda sentezlenirken (Wildermuth et al. 2001, Garcion et al. 2008), SAGT nin sitozolde lokalize olduğu ortaya çıkmaktadır (Dean et al. 2005). SAG, sitozolden vakuole aktif olarak taşınır ve vakuolde SA'ya geri dönüştürülebilen inaktif depo formu olarak fonksiyon görebilmektedir (Dean et al. 2005, Grün et al. 2006). Şekil 2.3 Salisilik asit biyosentezi ve metabolizması için biyosentetik yol. PAL, fenilalanin amino liyaz; ICS, izokorizmat sentaz; IPL, izokorizmat pirüvat liyaz; BA2H, benzoik asit-2-hidroksilaz; SA, salisilik asit; SAGT, SA glukozil transferaz; aa, amino asit; SAMT, SA metil transferaz; SABP2, SA-bağlayıcı protein 2; MES, metil esteraz; SGE, SA glukoz esteri; SAG, SA O- -glukozid; MeSA, metil salisilat; MeSAG, metil salisilat O- -glukozid (Vlot et al. 2009'dan değiştirilerek). Hücrelerde sentezlenen salisilik asit hücreler, dokular ve organların içinde veya dışında serbestçe hareket edebilir (Kawano et al. 2004) ve bu hareket ROT ve Ca +2 tarafından hassas bir şekilde düzenlenmektedir (Chen et al. 2001). Metil salisilat (MeSA), enfekte olmuş dokulardan enfekte olmamış dokulara floem aracılığı ile hareket eden uçucu 9
26 uzun mesafeli bir sinyal molekülüdür. MeSA, gerekli olduğunda salisilik aside dönüşebilen ve transloke olabilen SA'nın inaktif bir öncüsüdür. Radyoaktif etiketlenmiş SA nın, tütün hücre süspansiyonu kültürlerinde SAG ve MeSAG'a hemen hemen eşit miktarlarda çevrildiği, MeSA seviyelerinin ise yaklaşık 5 kez daha düşük olduğu belirtilmiştir (Dean et al. 2005). Tütünde iki enzim SA ve MeSA arasındaki dengeyi kontrol etmektedir: Biyolojik olarak inaktif MeSA'yı aktif SA'ya çeviren SA bağlama protein 2 (SABP2) (Forouhar et al. 2005) ve SA'dan MeSA oluşumunu katalize eden SA metil transferaz 1 (SAMT1) (Ross et al. 1999). Park ve ark. (2007), MeSA'nın tütün bitkisinde önemli uzun mesafeli sistemik kazanılmış direnç sinyali olarak fonksiyon gördüğünü belirtmiştir Fizyolojik Rolleri Salisilik asit bitki büyüme ve gelişmesi, fotosentez, stomatal regülasyon, solunum, çiçeklenme, senesens ve iyon alımında önemli rol oynamaktadır (Vicente and Plasencia 2011). Bitkilerde SA-aracılı büyüme ve gelişmenin moleküler durumları ile ilgili araştırmalar, SA'nın etki mekanizmalarının yanı sıra fizyolojik rollerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamaktadır (Swain et al. 2011). Tohum çimlenmesinde SA'nın rolü ile ilişkili çalışmalar çelişkili olup; SA'nın ya çimlenmeyi inhibe ettiği ya da tohum canlılığını arttırdığı ileri sürülmüştür (Xie et al. 2007, Lee et al. 2010). Bildirilen bu etkiler, uygulanan SA konsantrasyonları ile ilişkili olabilmektedir. Arabidopsis thaliana'da, 1 mm'ın üzerindeki SA konsantrasyonlarının çimlenmeyi geciktirebildiği veya hatta inhibe edebildiği bildirilmiştir (Rajjou et al. 2006). Tohum çimlenmesinin negatif bir regülatörü olarak SA'nın etkisi, muhtemelen SA-teşvikli oksidatif stresten kaynaklanmaktadır. SA'nın büyümeyi stimüle edici etkileri soya fasulyesi (Gutierrez-Coronado et al. 1998), buğday (Shakirova et al. 2003), mısır (Gunes et al. 2007) ve papatyada (Kovácik et al. 2009) rapor edilmiştir. SA'nın büyümeyi teşvik edici etkilerinin hormonal durumdaki değişikliklerle (Shakirova et al. 2003, Abreu and Munne-Bosch 2009) veya fotosentez, transpirasyon ve stomatal iletkenliğin geliştirilmesiyle (Stevens et al. 2006) ilişkili olduğu ileri sürülmüştür. Bununla birlikte, SA nın normal koşullarda Arabidopsis tohum 10
27 çimlenmesini geciktirdiği, buna karşın yüksek tuz konsantrasyonlarında oksidatif stresi azaltarak tohum çimlenmesini teşvik ettiği bildirilmiştir (Lee et al. 2010). Salisilik asit bitkilerde metabolik cevapların geniş bir skalasını oluşturur ve hatta fotosentetik parametreleri ve bitki su ilişkilerini de etkiler. Fotosentez parametreleri üzerinde dışsal SA'nın etkileri, test edilen bitki türüne ve doza bağımlıdır. Yüksek SA konsantrasyonunun (10 3 M) domates bitkilerinde stoma iletkenliği, CO 2 fiksasyon oranı, RuBisCO ve fotosentetik quantum etkinliğinde azalmaya neden olarak fidelerin ölümüne yol açtığı rapor edilmiştir (Poór et al. 2011). Düşük konsantrasyondaki (10-5 M) salisilik asitle ön-uygulama yapılmış tanelerden elde edilen buğday fidelerinde pigment içeriği önemli düzeyde artarken, daha yüksek konsantrasyonların yararlı olmadığı tespit edilmiştir (Hayat et al. 2005). SA'nın dışsal uygulamasının Brassica juncea'da net fotosentetik oran, içsel CO 2 konsantrasyonu, su kullanım etkinliği, stomatal iletkenlik ve transpirasyon oranını arttırdığı bulunmuştur (Fariduddin et al. 2003). Bununla birlikte, SA nın alternatif oksidaz (AOX) yolunu teşvik ettiği kanıtlanmıştır (Rhoads and McIntosh 1992, Lei et al. 2008). AOX kloroplast ve mitokondriyal elektron transport zinciri boyunca hareket eden elektronları saptırmakta ve bu elektronları, oksijenin suya indirgenmesinde kullanarak ROT ların üretimini azaltmaktadır. Salisilik asit uygulanmış Cucumis sativus ve Lupinus luteus bitkilerinde hem AOX transkript seviyesinin hem de protein seviyesinin arttığı bildirilmiştir (Lei et al. 2010, Belozerova et al. 2014). Bununla birlikte, AOX yolunun düzenlenişi ve SA arasındaki ilişki halen açık değildir. SA yaprak senesensi sırasında gen ifadesinin kontrolünde (Morris et al. 2000) ve Arabidopsis gibi bitkilerde çiçeklenme zamanının ilerlemesinde (Martinez et al. 2004) önemli bir rol oynamaktadır. Hücre redoks homeostazisi ve fotosentezde SA'nın önemli rolü incelendikten sonra bu bitki hormonunun senesens regülasyonuna katılması sürpriz değildir. Senesens ile SA sinyal yolunun ilişkisi, Arabidopsis'in yaşlanan yapraklarında detaylanmış gen ifade analizi ile doğrulanmıştır (Buchanan-Wollaston et al. 2005). SA birçok bitkide çiçeklenmeyi teşvik etmektedir (Martin-Mex et al. 2005, 11
28 Shimakawa et al. 2012). Salisilik asidin çiçeklenmeyi teşvik edici etkisi sadece stres koşulları altında gözlenmiş; bu nedenle SA'nın çiçeklenme için gerekli olabildiği, fakat çiçeklenmeyi teşvik etmek için yeterli olmadığı görülmektedir (Wada and Takeno 2010, Wada et al. 2010) Bitki Tuz Toleransında Dışsal Salisilik Asit Uygulaması Bir bitki fenolik bileşiği olan salisilik asit (SA), hormon-benzeri içsel bir düzenleyici olarak değerlendirilmektedir. Biyotik ve abiyotik stresörlere karşı savunma mekanizmalarında SA'nın rolü çok iyi karakterize edilmiştir (Gautam and Singh 2009, Zhang et al. 2011, Loutfy et al. 2012). Bitkilerin tuz stresine maruz kalması turgor, büyüme, fotosentetik oran, stomatal iletkenlikte azalma ve hücresel bileşenlerin zararlarını içeren ciddi fizyolojik ve biyokimyasal bozukluklara neden olmaktadır (Munns and Tester 2008). Tuz stresi altında büyüme ve gelişmenin sürdürülmesi ozmotik ayarlama, ozmokoruyucular/uyumlu ozmolitlerin sentezi veya bazı halofitlerde vakuolde Na + 'un birikimi ve alıkonmasıyla ilişkilidir (Kavi Kishor et al. 2005, Chinnusamy et al. 2005). Toprağa ilave edilen SA, tuz stresi sırasında mısır bitkilerinin canlılığı üzerinde iyileştirici etkiye sahiptir ve Na + ve Cl birikimi azalmıştır (Gunes et al. 2007). Ahmed ve ark. (2009), tuz stresi altında büyütülen domates bitkilerinin büyüme ortamına SA uygulamasının membran bütünlüğü ve fotosentetik pigmentlerin içeriğini koruyarak stresin zararlı etkilerinin azaltıldığını bildirmişlerdir. İlaveten, K +, Ca +2 ve Mg +2 alımında bir artış ve Na + ve Cl 'un alımında bir azalma saptanmıştır (Ahmed et al. 2009). Keza SA'nın yaprağa uygulanması ile farklı bitkilerde inorganik iyonların alınımı ve taşınımının değiştiği gösterilmiştir. Örneğin, tuz stresi altında büyütülen SA-uygulanmış mısır bitkilerinde N, Mg +2, Fe +2, Cu +2 ve Mn +2 birikimi önemli düzeyde artarken Na + ve Cl azalmıştır (Gunes et al. 2005). NaCl stresinde büyütülen domates bitkilerinde, yaprağa SA uygulaması ile gövde ve köklerde Na + 'un azalması, K + ve Mg +2 'un artmasıyla NaCl'nin toksik etkisi önemli düzeyde azalmıştır (He and Zhu 2008). SA ön-uygulamasını takiben tuz uygulamalarına maruz bırakılan domates fidelerinin yapraklarında uyumlu ozmolitler (örneğin; glukoz, fruktoz, sorbitol ve prolin) belirgin 12
29 bir şekilde birikmiş ve bitki büyümesi önemli düzeyde teşvik edilmiştir (Szepesi 2006). Yaprak su potansiyelinde tuz-teşvikli azalma köklerde ABA'nın artan birikimine neden olduğu ve tuzlu koşullarda gen ifadesi ve ABA sinyal transdüksiyon yollarını başlattığı belirlenmiştir (Szepesi 2006). Salisilik asit uygulanmış salatalık fidelerinde çözünebilir şekerlerin ve özellikle köklerde indirgeyici olmayan şekerlerin birikiminin ozmotik düzenleme ve bitki hücrelerinde su alımının kolaylaştırılmasında fonksiyon görerek NaCl stresine karşı fidelerin toleransını arttırdığı bildirilmiştir (Dong et al. 2011). Misra ve Saxena (2009), mercimeklerde prolin metabolizmasında anahtar enzimlerin aktiviteleri ve bitki büyümesi üzerinde köke uygulanmış SA'nın etkisini incelemiştir. Uyumlu çözünenler, hücre dışında yüksek tuz konsantrasyonunu dengelemek ve vakuolde sodyum ve klor iyonlarının yüksek konsantrasyonlarını engellemek için esas olarak sitozolde birikirler (Kavi Kishor et al. 2005). Ekim öncesi buğday tohumlarının SA ile muamelesi, ozmotik potansiyel, K + /Na + oranı ve fotosentetik pigmentlerin içeriğini kontrol ve tuzlu koşullarda pozitif olarak düzenlediği bildirilmiştir (Kaydan et al. 2007). Tuz stresi SA'nın varlığında mısır bitkilerinde prolin birikimini arttırmış ve bu durumun ozmotik ayarlamada önemli olduğu belirtilmiştir (Gautam and Singh 2009). Prolin ve glisin betain gibi uyumlu çözünenlerin SA-teşvikli oluşumu, membranların ve proteinlerin kararlı olmasına ve böylece tuz stresine karşı toleransın artmasında etkilidir (Deef 2007). Salisilik asidin dışsal uygulaması, tuz stresine girmiş buğday bitkilerinde oksin ve sitokinin seviyelerinin düşmemesine, kök apikal meristeminde hücre bölünmesinin ilerlemesine ve verimliliğin artmasına neden olmuştur (Shakirova et al. 2003). Mısır yapraklarına SA uygulaması tuzun zararlı etkilerini ortadan kaldırmış ve fotosentetik kapasite, RuBisCO aktivitesi ve büyümenin artmasına neden olmuştur (Khodary 2004). Benzer etki, ayçiçeğinde fotosentetik etkinliğin geliştirilmesi şeklinde de gözlenmiştir (Noreen and Ashraf 2008). 13
30 Salisilik asit, bitkilerde bilinen diğer enzimatik olmayan antioksidanlara benzer olarak etkili bir antioksidandır (Rao and Davis 1999). Bir antioksidan olarak SA'nın direkt etkilerine ilave olarak, SA farklı antioksidan enzimlerin stimüle edilmesiyle bitki savunma mekanizmalarını teşvik edebilir. Farklı antioksidan enzimlerin aktiviteleri, tuzluluğa maruz kalma ve/veya SA uygulamasının sonucu olarak prolin içeriğindeki artışla uyumlu olarak artmış ve böylece tuz stresine karşı toleransın artması sağlanmıştır (Yusuf et al. 2008). İleri moleküler yaklaşımlar, savunma cevabında önemli rol oynayan proteinler/enzimleri kodlayan birçok detoksifiye ve antioksidan genleri ortaya çıkarmıştır (Holuigue et al. 2007). Stres koşulları altında SA ile artan yönde regüle olan genler S-transferaz, glikozil transferaz, peroksiredoksin, peroksidaz, tiyoredoksin, glutaredoksin ve patojen direnci genlerini içerir (Vanderauwera et al. 2005, Wang et al. 2005b). Vigna radiata bitkisinin tuza toleranslı (Pusa Vishal) ve hassas (T44) çeşitlerinde 0.5 mm SA uygulamasının, azot ve sülfür özümlemesi, glutatyon içeriği, askorbat peroksidaz ve glutatyon redüktaz aktivitesini arttırdığı, buna karşın 1.0 mm SA uygulamasının inhibitör etki gösterdiği bildirilmiştir (Nazar et al. 2011). Ayrıca SA'nın tuza hassas çeşide göre toleranslı çeşitte fotosentezde tuz teşvikli azalmayı hafiflettiği, nitrat redüktaz ve ATP sülfürilaz aktivitesini teşvik ettiği ve antioksidan metabolizmasını arttırdığı bildirilmiştir. Tuz stresi (250 mm NaCl) sırasında SA (0.5 mm) uygulanmış buğday fidelerinde askorbik asit ve glutatyon döngüsü enzimlerini kodlayan genlerin transkript seviyeleri ile askorbik asit ve glutatyon içeriklerinin arttığı belirtilmiştir (Li et al. 2013a). 2.4 Bitkilerde Tuz stresi ve Proteom Değişimleri Proteomik, farklı proteomların kompozisyonlarının karşılaştırılması temelindedir. Bitki abiyotik stres araştırma alanında, en yaygın durum kontrol ve stres koşulları altındaki uygulama gruplarından izole edilen proteomların karşılaştırılmasıdır (Kosová et al. 2011). Tuz stresi ile teşvik edilmiş değişimlerle ilgili proteomik çalışmalar çok sayıda olup; esas olarak kontrol ve stres uygulanmış bitkiler arasında protein bolluğunda kantitatif değişiklikler üzerinde yoğunlaşmıştır (Liu et al. 2012, Yang et al. 2012, Li et al. 2013b). Spesifik olarak karbohidrat, azot ve özellikle glikolitik ve trikloroasetik asit 14
31 enzimleri olmak üzere enerji metabolizmasını kapsayan proteinlerin genel bir regülasyonu olarak ortaya çıkmaktadır. Üstelik stres reaktif oksijen türlerinin (ROT'lar) oluşumu ve birikimini teşvik eden metabolik dengesizliklere neden olabilir (Suzuki et al. 2012); bu nedenle oksidatif zararı azaltmak için fonksiyon gören süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX) ve glutatyon redüktazı (GR) kapsayan, yani ROT'larla savaşan proteinlerin yaygın olarak kimliklendirilmesinin şaşırtıcı olmadığı bildirilmiştir (Gill and Tuteja 2010). Birçok çalışmada, hücre iskeleti kararlılığı kadar protein sentezi, işlenmesi, etkinliği ve parçalanmasını kapsayan diğer proteinler kimliklendirilmiştir. Fotosentetik işlevlerle ilgili olarak klorofil biyosentezi ile ilişkili proteinlerin seviyesinde genel bir azalma belirlenirken ışık-bağımlı reaksiyonlarda görev alan proteinlerde bir artma gözlenmiştir. Kimliklendirilmiş bazı proteinler bitkilerde genel strese cevap yolunun belirleyicisidir. Sinyal, trafikleme, transport ve hücre yapısı kategorilerinde kimliklendirilmiş proteinler daha az yaygındır (Şekil 2.4) (Barkla et al. 2013). Şekil 2.4 Tuz-teşvikli ve tuz stresi ile azalmış farklı fonksiyonel kategorideki proteinlerin ifade profilleri. x ekseni üzerindeki sütunlar tuz-teşvikli ve altındaki sütunlar ise tuz stresi ile azalmış proteinlerin sayısını göstermektedir (Zhang et al. 2012). 15
32 2.4.1 Fotosentez ve Solunum Metabolizması Tuz stresine maruz kalan birçok bitkide sıklıkla fotosentetik kapasitelerindeki azalma ile ilişkili olarak büyümede azalma genel bir olaydır. Tuz stresinde fotosentezdeki azalma esas olarak CO 2 özümlemesinin karbon indirgeme işlevlerini kapsayan kısmi stoma kapanması ve/veya stomatal olmayan sınırlama ile ilişkilidir (Brugnoli and Bjorkman 1992, Qiu and Lu 2003). Proteomik sonuçlar, tuz stresine cevap ve tuza toleransın altında yatan fotosentetik işlevlerin anlaşılmasını önemli düzeyde arttırmıştır. Bu tuzacevap proteinleri ışık reaksiyonu, CO 2 özümlemesi ve diğer fotosentezle ilişkili işlevlerin regülasyonunu kapsar (Zhang et al. 2012). Fotosentezin anahtar bir bileşeni olan fotosistem II (PSII)'nin merkez ünitesi, suyun ışık tarafından moleküler oksijene ayrıştığı, plastokinonun indirgendiği ve bir transmembran proton gradientinin oluştuğu öz kompleksidir (Zouni 2001). PS II'nin proteinlerindeki artma ya da azalma; fotosentez (Ruban et al. 2003), ışık-zararı (Wykoff et al. 1998) ve fotoinhibisyonu (Silva et al. 2003) etkilemektedir. PS II'nin lümen kenarına bağlı oksijen çıkış kompleksi, PS II'nin verici bölge fotoinhibisyonunda reaksiyon merkez-bağlama proteini D1'in çapraz bağlı ürünlerinin oluşumunu düzenler (Yamamoto 2001). Işık toplayıcı kompleks klorofil a/b-bağlama proteini ve oksijen çıkışını arttıran protein tuzluluğa cevap olup; tuz stresinin üstesinden gelmede PS II'nin aktivitesine neden olmaktadır (Pang et al. 2010, Bandehagh et al. 2011, Fatehi et al. 2012). Üstelik PS II'den serbest kalan elektronlar, sitokrom b 6 f kompleksi aracılığı ile PS I'e transfer edilmektedir. Proteomik sonuçlar, sitokrom b 6 f kompleksi kadar PS I reaksiyon merkezi proteininin miktarının da tuz stresinden etkilendiğini göstermiştir (Wang et al. 2009, Xu et al. 2010, Pang et al. 2010). Miktardaki değişiklikler elektron transfer etkinliği ve transmembran elektrokimyasal proton gradientlerini değiştirebilir, dolayısıyla ATP sentezi ve NADPH oluşumu etkilenir. Tuz stresine maruz kalan bitkilerde, kloroplast ATP sentazlar ve ferredoksin NADP(H) oksidoredüktazların çoklu izoformlarının tuzluluk tarafından regüle olduğu bulunmuştur (Zörb et al. 2009, Yu et al. 2011, Li et al. 2011). Bu sonuçlar, tuz stresi altındaki bitkilerde ATP sentezinin ayarlanması ve termal dağılımında bu enzimlerin çoklu izoformlarının yer aldığı 16
33 anlamına gelmektedir (Zhang et al. 2012). Işık reaksiyon değişikliklerine ilaveten, karbonik anhidraz, ribuloz-1,5-bifosfat sentetaz, RuBisCO, rubisko aktivaz, RuBisCO bağlayan protein, fruktoz bifosfataz, sedoheptulaz-1,7-bifosfataz ve fosforibulokinaz gibi Calvin döngüsü enzimlerinin ifadesi tuzluluk tarafından etkilenmektedir (Caruso et al. 2008, Pang et al. 2010, Yu et al. 2011). Bu CO 2 özümlemesi ile ilişkili enzimlerin çoğu tuz stresi altında farklı bitki türlerinde çeşitli değişiklikler göstermektedir (Zhang et al. 2012). NaCl stresi altında, bitkiler enerjiyi korumak için enerji metabolizma hızlarını azaltır ve ROT oluşumunu sınırlar (Moller 2001). Glikoliz, TCA siklusu, mitokondrial solunum ve pentoz fosfat yollarının bileşenlerinin transkript bolluğu NaCl uygulanmış bitkilerde genellikle değişmiştir (Jiang and Deyholos 2006, Jiang et al. 2007). Fruktoz bifosfat aldolaz, triozfosfat izomeraz, gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz, fosfogliserat kinaz, fosfogliserat mutaz, enolaz, pirüvat dekarboksilaz ve alkol dehidrogenazı içeren glikolize ilişkin çoğu proteinler tuz stresi altında artmıştır (Peng et al. 2009, Du et al. 2010, Li et al. 2010, Manaa et al. 2011). Benzer etkiler pirüvat dehidrogenaz, dihidrolipoamid dehidrogenaz, akonitat dehidrataz, izositrat dehidrogenaz, süksinil- CoA ligaz ve malat dehidrogenazı içeren TCA siklusundaki tuza cevap enzimleri için de gözlenmiştir (Du et al. 2010, Zhou et al. 2011, Nam et al. 2012). Üç proton-taşıyan ATPaz'lar, iki vakuolar ATP sentetaz ve bir mitokondrial ATP sentaz delta zincirini içeren diğer enerji ile ilişkili proteinler NaCl teşvikine cevap olarak saptanmıştır (Jiang et al. 2007, Wang et al. 2008). Mitokondrial ATP sentaz, solunum zincirinin elektron transport kompleksleri tarafından oluşturulan proton gradientinin varlığında ADP'den ATP oluşturur (Das 2003) Reaktif Oksijen Türlerine (ROT lar) Karşı Savunma Sistemleri Tuz stresi, mitokondri ve kloroplastlardaki elektron transport zinciri, fotorespirasyon, yağ asidi oksidasyonu ve çeşitli detoksifikasyon reaksiyonlarının aşırı indirgenmesine neden olmaktadır (Miller et al. 2010). Bu işlevlere, birçok hücresel bileşen ve yapılarda oksidatif zarara neden olan ve hücresel redoks dengesini bozan ROT'ların hızlı artışları 17
Daha göster
