400100710011-Bitki Hücre Biyolojisi http://biotek.ankara.edu.tr/ 400100710011-Bitki Hücre Biyolojisi Prof. Dr. Ali ERGÜL Ankara Üniversitesi, Biyoteknoloji Enstitüsü

HAFTA-1 Bitki Hücre Biyolojisine Giriş-Bitki Hücre Biyolojisinde Temel Kimya Prensipleri HAFTA-2 Biyomoleküller HAFTA-3 Hücresel Membranların Yapısı ve Fonksiyonları, Subcellular (Hücre içi) Organellerin Yapısı ve Fonksiyonları HAFTA-4 Biyomoleküllerin Membranlar Arası Hareketi-I HAFTA-5 Biyomoleküllerin Membranlar Arası Hareketi-II HAFTA-6 Bitkilerde Mitoz-Mayoz Bölünme HAFTA-7 Mendel Genetiği-I HAFTA-8 Mendel Genetiği-II HAFTA-9 Protein Sentezi-I HAFTA-10 Protein Sentezi-II HAFTA-11 Kloroplast, Mitokondriyal Protein Sentezi HAFTA-12 Fotosentez HAFTA-13 Bitki Hormonları HAFTA-14 Sinyal İletimi

HAFTA 14: SİNYAL İLETİMİ

Hücresel Sinyal İletimi Bitkiler abiyotik, biyotik stres koşullarında, cevap olarak bitki kontrol mekanizması ve sinyal iletimini kullanmaktadırlar. Stres sinyallerinin bazıları bitki iletimsisteminden sorumlu ksilem ve floem tarafından sağlanmaktadır. Oluşan strese karşı bitkide meydana gelen cevaba, bitki yaşı, stres zamanı (gerçekleştiği dönem), günlük ritim (circadian clock), bitkinin daha önce aynı stresle karşılaşıp karşılaşmaması gibi bazı etmenlerin etkisi bulunmaktadır. Bitkinin kuraklık stresine adaptasyonunda hem hidrolik hem de kimyasal sinyaller önem taşımaktadır. Özellikle toprakta su kaybı arttıkça, kök kaynaklı sinyaller ksilem-yapraklar boyunca iletilmekte ve bu durum yaprak gelişimin azalmasına sebep olmaktadır.

Hücresel Sinyal İletimi Bitkide özellikle kökün abiyotik stres altındaki değişimleri (toprak su içeriği, toprak oksijen içeriği gibi) algıladığıve kimyasal hidrolik sinyaller oluşturduğu bilinmektedir. Kimyasal sinyaller hidrolik sinyallerden farklılık göstermekte ancak her ikisi de kuraklık şartlarında, stoma geçirgenliğini ve yaprak gelişimini azalttığı için önemli görevler taşımaktadır. Kimyasal sinyaller muhtemelen stresin erken evrelerinde, hidrolik sinyallerin üretilmesinden önce meydana gelmekte ve şiddetli kuraklık şartlarında yaprak-su potansiyeli eksildiğinde ve yapraklar solduğunda önemini yitirmektedir Bitkide gerçekleşen kimyasal sinyaller tam olarak halen çözülememesine rağmen, bitki gelişim ve solunumunda etkin bir rol oynayan ABA ve etilen gibi diğer faktörler de kimyasal sinyaller açısından önemli rol oynamaktadır

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması Absisik asit (ABA), bitkide doğal olarak sentezlenen ve bitki gelişmesinin düzenlenmesinde görev alanbüyüme inhibitörüdür. Kapalı kimyasal formülü C15H20O4 ve molekül ağırlığı 264.32g/mol olan ABA, seskuiterpen yapısındadır. Kimyasal yapısında asimetrik karbon atomu bulunduran ABA, optik (enantiomer) ve geometrik izomerizim özelliğine sahiptir. ABA, tohum ve tomurcuk dormansisi, yaşlanma (senesens), embiryo gelişimi, meyve gelişimi, meyve olgunlaşması, tohum çimlenmesi, çiçeklenme, iyon-su taşınımı ve kök geotropizması gibi birçok fizyolojik olayda görev almaktadır.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması Normal şartlar altında bitki hücrelerinde ABA miktarı düşük oranlardadır ve bu orandaki ABA bitkinin normal gelişimi için kullanılmaktadır. Ayrıca ABA, metabolik aktivite sonucunda oluşan reaktif oksijen türlerinin (süperoksit, hidrojen peroksit, hidroksil radikali) bitkisel dokularda artmasını tetiklenmekte ve böylece bitkide antioksidant savunma sisteminin uyarılması gerçekleştirilmektedir. Stres hormonu olarak da bilinen ABA’nın bitkide strese karşı oluşturulan yanıtta düzenleyici olarak aktif rol oynadığı ve başta kuraklık ve tuz stresi olmak üzere abiyotik stres koşulları altında bitkide meydana gelen moleküler değişimlere bağlı olarak arttığı fizyolojik çalışmalarla kanıtlanmıştır.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması Stres ile birlikte oluşan düşük su potansiyeli altında kökte sentezi gerçekleştirilen ABA, kökler tarafından ksileme aktarılarak stoma hücrelerine taşınmakta ve buradaki ABA reseptörüne bağlanarak stomaların kapanmasına ve ilgili bir birçok genin uyarılmasına neden olmaktadır. ABA, stomalardaki bekçi (guard) hücrelerdeki Ca+2 iyonunda artışa sebep olmakta ve artış stomaların kapanmasında etkin rol oynamaktadır. ABA’nın strese karşı yanıtında, birçok fosfolipid türevli hücre içi mesajcılar (fosfolipaz C, fosfolipaz D gibi) rol oynamaktadır. Bu hücre içi mesajcıların aktivasyonu ile ikincil mesajcılar (fosfatidik asit) oluşmaktadır.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması ABA’nın kökte üretimi ve yapraklara transport mekanizması ve buna bağlı olarak stomal iletkenlikteki rolü birçok araştırmalarda açıklanmıştır. Bazı araştırmalarda, bioassay yaklaşımı kullanılarak ABA’nın transpirasyonu (terlemeyi) azalttığı gösterilmeye çalışılmıştır. Günümüzde ABA’ nın bekçi hücre kapanmasında doğrudan rol oynadığı bilinmektedir. Birçok bitki türünde köklerdeki ABA oranı, toprak nemliliği ve köklerdeki su içeriği ile ilişki olarak değişmektedir. Kuraklık altında tütünde (Nicotiana plumbaginifolia) yapılan çalışmalarda ABA’nın tamamen kökten geldiği açıklanmıştır. Kökteki sentez yeri ile ilgili kesin bulgular olmamasına karşın, Bezelye (Pisum sativum) ve Asya gün çiçeği (Commenlina comunis) yürütülen araştırmalar ABA sentezinin sadece kök uçlarında gerçekleştiğini açıklarken bazı çalışmalar ise kök ucuna 3 cm uzaklık ile kök ucu arasında bir yerde gerçekleştiğini açıklamışlardır.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması ABA’nın kökle sürgün arasındaki baskın rolü, kuraklık stresindeki bitkilerde ksilem öz suyunda ölçülen ABA konsantrasyonunun, yaprakta bulunan ekzojen ABA (stomaların kapanmasında gerekli) konsantrasyonlara göre daha düşük bulunduğu da kanıtlanmıştır. Ayrıca; ABA biyosentezi ile ilişkili enzimlerin (aldehid oksidaz gibi) lokasyonları üzerinde çalışılmış ancak bu çalışmalar kuraklık stresinden daha çok, farklı nitrojen miktarları altındaki ABA üretimi üzerinde yoğunlaşmışdır. ABA’nın stomasal kontrolündeki rolünü destekleyen birçok çalışma ve yaklaşım bulunmasına rağmen, ksilem öz suyunda bulunan bazı maddelerin (jasmonik asit), kuraklık nedenli stoma kapanmalarında ABA ile uyumlu olarak rol aldığı açıklanmıştır . Arabidopsis’ te yapılan çalışmada ABA sinyal yolağı ile ilişkili protein fosfatazlar (ABI1 ve ABI2) ve transkripsiyon faktörleri (ABI3-5) izole edilmiştir.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması ABA biyonsentezi kök ve yapraklarda zeaxanthin epoxidase (ZEP) enzimi ile başlamaktadır. Sentezdeki anahtar düzenleyici basamak ise 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) enziminin katalizasyonudur. NCED enzimi plastidlerde öncül epoksi karatenoid molekülünü zeaksantine (xanthoxin) çevirmektedir ve sonrasında iki sitolozik enzim tarafından, absisik aldehit eşliğinde zeaksantin ABA’ya dönüşmektedir. Domates, mısır gibi bitkilerde NCED genine yönelik yapılan çalışmalarda NCED promotörünün kuraklık stresi ile birlikte hem kök hem yapraklarda etkilendiği gözlemlenmiştir.

ABA (Absisik Asit) Sinyal Mekanizması ABA biyosentezinin son aşamasında ise, ABA; absisik aldehit oksidaz enzimi (AAO3) ile katalize olmaktadır. Bu enzimin kontrolü transkripsiyonel veya post-transkripsiyonel seviyelerde olmakta ancak bu düzenlenmeye ait kesin fonksiyonlar ve translasyonel düzenlenmeler halen belirsizdir. ABA bağımlı ve ABA bağımsız olmak üzere her iki sinyal yolağının birbirleri ile etkileşim halinde olduğu kanıtlanmıştır. Bu sinyal yolaklarıyla ilişkili genlere ait promotörlerde aynı anda DRE ve ABRE elementlerinin bulunabildiği ve bazı genlerin (rd29Agibi) stresin ilk saatlerinde ABA bağımsız sinyal yolağında görev alırken, gen ifadesinin sonraki evrelerinde ABA bağımlı olarak görev aldığı kanıtlanmıştır .

Etilen Sinyal Mekanizması Bitkilerde olgunlaşma hormonu olarak bilinen etilen havadan biraz hafif ve yağda iyi çözünme özelliğine sahip bir gaz olması nedeni ile diğer bitkisel hormonlara göre farklılık göstermektedir. Etilen hormonu; tohum çimlenmesi, yaprak kopması, meyve kopması, meyve olgunlaşması gibi bitki yaşamının bir çok aşamasında rol oynamakla birlikte, düşük/yüksek sıcaklık, kuraklık ve bazı kimyasallar gibi stres şartlarına karşı bitkisel tepkide de görev aldığı tespit edilmiştir. Hücrede etilen sentez kapasitesi değişkenlik göstermekle birlikte hemen hemen her hücrede sentez süreklilik göstermektedir. Sentezlenen etilenin hücrede birçok öncü maddesi olmakla birlikte temel öncü maddesi olarak metionin bitkide kolayca etilene çevrilebilmektedir. Döngü ile açığa çıkan CH3S grubunun bitkilerce tutulmasıyla tekrar metionine dönüştürülmekte ve bu döngü mekanizması sayesinde hücrede methionin seviyesi azalsa bile etilen miktarı sabit oranda tutulabilmektedir.

Etilen Sinyal Mekanizması Döngü ile açığa çıkan CH3S grubunun bitkilerce tutulmasıyla tekrar metionine dönüştürülmekte ve bu döngü mekanizması sayesinde hücrede methionin seviyesi azalsa bile etilen miktarı sabit oranda tutulabilmektedir. Etilen döngüsüne kısaca bakılacak olursa; ara madde olan S-adenosylmethionine (SAM) fermente yolu ile methylthioadenosize (MTA) şekline dönüşmekte ve hidrolize olarak önce methylthioribozu (MTA) sonrasında ise methionini oluşturmaktadır. SAM’in CH3S grubundan MTA meydana gelirken, geri kalan kısım ise ACC (1-aminosiklopropan-1 karboksilik asit) dönüşmektedir. ACC etilenin öncül maddesi olup, ACC sentaz enzimi eşliğinde, oksijenli ortamda etileni oluşturmaktadır.

Etilen Sinyal Mekanizması Köklenmeyi arttıran oksin ve köklenmeyi engelleyen sitokin hormonlarına ilave olarak etileninde adventif kök olşumunda da görev alabileceğine dair farklı görüşler bulunmaktadır. Bir grup araştırıcı etilenin sitokininleri indirgeyerek bloke edip köklenmeyi teşvik ettiğini açıklarken,diğer bir grup araştırcı ise etilenin mevcut oksin miktarını azaltarak köklenmeyi engellediğini bildirmişlerdir.

pH Bitkide stresle birlikte, ksilem öz suyunda genel olarak gözlemlenen pH değişimlerinin, kökle sürgün arasında önemli bir içerik olabileceği düşünülmektedir. Bir çok bitki türünde (Helianthus annuus= Ayçiçeği, Phaseolus coccineus=Bombay fasulyesi gibi) kuraklıkla beraber ksilem özsuyundaki pH, alkaline dönüşmekte ve bu durum stomada kapanmaya öncülük ederek bitki gelişimini azaltmaktadır. Bitkide meydana gelen stres doğrudan yaprak-su oranına etki ederek, stomalardaki bekçi hücrelerdeki turgorun ve yapraktaki ABA konsantrasyonunun değişimine sebep olabilmektedir. Bu durum bekçi hücrelerine ait plazma membranına doğrudan etki ederek, iyon akışının değişmesine sebep olmaktadır.

Sitokininler Genel olarak kökte üretilen ve bu nedenle kökle sürgün arasında sinyal iletiminde etkin rol oynadığı düşünülen diğer önemli etmen sitokininlerdir. Kök kaynaklı sitokininler, besin eksikliği ile meydana gelen tepki ile ilişki halindedirler. Üzümde ksilem özsuyundaki sitokinin miktarı ve bu miktarın kuraklık koşullarındaki değişimlerini inceleyen bir çalışmada, bitkilerde yaygın olarak bulunan sitokininler olan zeatin (Z) ve zeatin ribosit (ZR) miktarlarında %50 oranında azalma gözlemlenmiştir. Ksilem öz suyundaki ABA ile sitokinin oranı stres sinyal iletiminde önem taşımaktadır. Ancak sitokinin yapısı halen tam olarak aydınlatılamadığı için, stres sinyal iletimindeki sitokinin içerikleri ve değişimleri net olarak belirlenememektedir.

Diğer Kimyasal Sinyaller Potansiyel sinyal molekülü olan MikroRNA (miRNA)’ların ksilem özsuyundaki fonksiyonel görevi tam olarak bilinmemekle birlikte, Arabidopsis thaliana’ da stres uygulaması ile spesifik miRNA (mir-169g) varlığı kanıtlanmış ve bitkide floem boyunca sistematik olarak hareket ettiği belirtilmiştir. Stres sinyal iletiminde miRNA’lara ilave hormon, inorganik iyon, aminoasit, şeker ve organik asit gibi birçok içerik ksilem özsuyunda tanımlanmıştır. Bunlar arasında özellikle organik asitler yoğun olarak ksilem özsuyunda bulunmakta ve organik asitlerden malat (malate) asitin stomal kapanma ile ilişkili olduğu ve bunu destekler nitelikte, Fraxiunus excelsior bitkisinde de 0.5-3mM malat uygulamasında yapraklarda stomal açılmaların engellendiği belirtilmektedir.

Sinyal İletimi Sinyal iletim yolağı temelde sinyalin algılanması ile başlamakta ve bir çok gen aktive olmaktadır. Stresin çeşidine ve ilişkili yolaklarına bağlı olarak farklı bir çok transkripsiyon faktörü eşliğinde, strese yanıt ve toleransında görev alan birçok genin ifadesi gerçekleşmektedir.

Ders Kapsamında Yararlanılan Kaynaklar Hücrenin Moleküler Biyolojisi, 2008, Alberts ve ark. ISBN: 9789944252225. Plant Biology (Editors: A.J. Lack and D.E. Evans) 2001. School of Biological and Molecular Sciences, Oxford Brookes University, Oxford, UK.) Plant Cell Biology (Editors: William V. Dashek, Marcia Harrison) 2006. Regulation of Gene Expression in Plants The Role of Transcript Structure and Processing (Editors:Carole L.Bassett).