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 13: BİTKİ HORMONLARI

Bitki Hormonları Doğal olarak bitkilerde oluşan, büyüme ile buna bağlı diğer fizyolojik hareketleri kontrol eden ve oluştukları yerden bitkinin başka yerlerine taşınabilen, çok az miktarda bile etkilerini gösterebilen organik maddelere “Bitki Gelişimini Düzenleyiciler (BGD) veya Bitkisel Hormonlar" adı verilmektedir. Bitki hormonları embriyo gelişimini ve bitkilerin strese cevabını kontrol etmektedir. Memeli hormonları ile bitki hormonları karşılaştırıldığında bitki ve hayvan gelişimindeki farklılıklara bağlı olarak hormonların arasındaki farklılıklarda çok fazladır.

Oksin Bitkilerde büyüme ve gelişmeyi etkileyen en önemli gruptur. En çok bulunan oksin formu indol-3-asetik asit (IAA) olup doğal olarak oluşan tek oksindir. IAA dışında en çok bulunan oksinlerfenoksi asetik asit ve indol-3-bütirik asittir. Bitkinin boyca büyümesini sağlar. 10-6–10-7 M konsantrasyonundakioksin sürgünlerin gelişimini arttırırken, kök gelişimi oksin konsantrasyonuna daha hassas olup 10-9-10-10 M üzerindeki oksin konsantrasyonları kök gelişimini inhibe etmektedir. Ayrıca, hücre bölünmesi, büyümesi, hücre ve doku farklılaşmasını düzenlemektedir. Doku kültürü ortamında gelişen bitkilerde oksin:sitokinin oranına bağlı olarak kök, sürgün ve kallus gelişimi değişmektedir.

Oksin Bitkilerde yüksek oksinkonsantrasyonu, uç kısımlarda büyümenin hızlı olduğu dönemlerde, alt kısımlardaki tomurcukların uyanmaları engellenmekte ve bunlar sürememektedir. Buna apikal dominansi (tepe tomurcuğu baskısı) denilmektedir. Oksinler ışığa duyarlı olup ışıkta inaktive edilmeleri sonucu, hücre büyümesini yavaşlatırlar ve fototropizm olarak bilinen bitkilerin tek taraflı ışıklandırılmalarında ışığa doğru yönelme olayına neden olmaktadırlar. Partenokarpik meyvelerin (çilek, domates, turunçgil vb.) elde edilmesinde kullanılırlar; Yaprak ve meyve dökülmesini engellemesiyle genç meyve ve çiçeklerde senesens oksin tarafından inhibe edilmektedir.

Oksin Sentezi ve Taşınması Doğal olarak oluşan indol-3-asetik asit (IAA) triptofan amino asitinden, yaprak primordiası, genç yapraklar ve gelişen tohumlarda sentezlenmektedir. IAA aynı zamanda bakteriler tarafından da (Agrobacterium tumifaciens) sentezlenebilmektedir. Oksinler çok yönlü veya polar olarak taşınabildiklerinden hücreden hücreye aktarılması mümkün olabilmektedir. Yapraklarda sentezlenen oksin floem aracılığıyla non-polar olarak da taşınabilmektedir. Bu taşıma polar taşımadan 10 kata daha hızlıdır. Arabidopsiste yapılan çalışmalarda AUX1 geninin oksin transport proteini kodlayan ve kök apexin de eksprese olan bir gen olduğu belirlenmiş ve aynı zamanda boyca uzamadan sorumlu olduğu belirtilmiştir.

Oksin Bağlanması ve Degredasyonu Oksin sentezi arttığında veya diğer hücrelerden hücreye oksin girişi arttığında oksin degrede edilir veya diğer moleküllere biyokimyasal olarak bağlanmaktadır. Bağlı haldeki oksin biyolojik olarak aktif değildir.Bitki hücrelerinde oksin organik bileşeklere (myo-inositol ve glukoz, glikoprotein vb.) bağlanarak biyolojik olarak inaktif hala gelir. IAA’nın 3-methyleneoxindole peroksidasyonu veya oxindole-3-acetic acidenon-dekarboksilasyonuyla sentezi durdurulabilir.

Etilen 1990 lü yıllarda meyve olgunlaşmasını düzenleyen gaz fazındaki hormon olarak keşfedilmiştir. Etilen sadece içinde bulunduğu bitkiyi değil, gaz halinde yayılarak komşu bitkileri de etkilemektedir. Meyve olgunlaşmasındaki etilenin düzenlenmesi ve kontrolü meyvelerin uzun saklanması ve taşınması açısından uluslararası düzeyde önemli olmuştur. Etilenin ayrıca yaprak ve meyvelerde senesens, köklerde uzama, stres koşullarında vb. düzenleyici görevleri de vardır. Meyve olgunlaşması; Çoğu meyvede olgunlaşma döneminde etilen seviyesi artmaktadır. Etilen üreten ve olgunlaşma cevabı olarak etileni gösteren meyveler klimakterik meyveler (elma, domates, muz vb) dir. Klimakterik meyvelerde doğal olarak üretilir hızlıca seviyesi artar ve solunumla dışarıyı verilir.Yani etilen üretimi klimakterik meyvelerde otokatalitiktir.

Etilen 3’lü cevap: Etilenle muamele edilen sürgünler 3 karakteristik büyüme cevabı göstermektedirler. Epinasti, uzamada azalma ve lateral hücre büyümesi, yerçekine cevabın kaybolmasıyla yatay (horizontal) büyüme görülmektedir. Etilen ve subaskını cevabı: Etilen normalde uzamayı inhibe ederken sulu koşul türlerinde ( pirinç gibi) hızla uzamayı sağlayarak bitkinin hava almasını kolaylaştırmaktadır. Aerenkimanın yapısında etilen tarafından koşullara adaptasyon açısından uyarılmaktadır. Diğer etkileri: Etilenin yüksek konsantrasyonları (> 10ul l-1) adventif kök gelişimini ve kökün formasyonunu uyarmaktadır. Yaprak dökülmesi sırasında etilen dökülme bölgesinde hücre duvarı degredasyon enzimlerinin sentezini de uyararak dökülmenin olacağı bölgedeki tabakaları spesifik hale getirmekte ve hücreler o bölgeden yaprağın bitkiden ayrılmasına izin vermektedir.

Etilen Sentezi Etilen metiyonin amino asitinden S-adenozilmetiyonin (SAM) ve 1-aminocyclopropane-1-carboxylic asitte (ACC) yoluyla sentezlenmektedir. ACC geni de etilen cevabında rol oynayan faktörler tarafından ekspresyonu uyarılmaktadır. Etilen oksidayonla inaktive edilmektedir (etilen oksit veya CO2).Dokularda etilen miktarı strese cevap koşullarında hızla artmaktadır. Etilen çok düşük konsantrasyonlarda (1ppm veya 1ul l-1) aktif olan bir hormondur.

Giberellin İlk defa Japonya’da 1930’larda Gibberella fujikuroi mantarlarından çeltikte hastalık oluşturmasıyla fark edilmiştir. Sonucunda aşırı uzun boy ve çekirdeksiz bitkiler ortaya çıkarmıştır. Yaklaşık 100 giberellin bitkilerde tanımlanmış fakat çoğu biyolojik olarak aktif değildir. En önemli ve en çok çalışılan giberellin GA3 tür

Giberellin Çevresel cevap: Rozet bitki olarak adlandırılan çoğu bitki uzun gün şartları ve soğuklama ihtiyacı (vernalizasyon) gösteren bitkilerde, giberellin uygulanması halinde bu şartlar sağlanmasa da çiçeklenme sağlanabilmektedir. Rozet bitkilerde giberellin miktarı az olmakla birlikte çevre şartları değiştiğinde büyük ölçüde giberellin miktarı artmakta ve büyüme faktörlerini başlatmaktadır. GA1 uzama, GA9 ise çiçeklenme cevabında sorumlu en önemli giberellinlerdir. Tohumda çimlenme: Dormansi gösteren tohumlarda giberellin uygulaması dormansiyi kırmaktadır. Diğer tohumlarda ise giberellin gerekli olarak çimlenme aşamalarını koordine etmektedir. Tohuma rehidratasyon aşamasında aktivitesi artarak hidrolazların aktivitelerini başlatır. Giberellinlerin rolü çimlenen malt aşamasında arpada ekonomik öneme sahiptir.

Giberellin Sentezi ve Taşınması Diğer etkileri: Giberellinlerin bazı perennial türlerde (örn; Hederahelix) juvenil dönemden olgunlaşma döneme geçişte düzenleme görevleri olup çiçeklenmeyi ve meyve oluşmasını teşvik etmektedir. Giberellinler terpenoid yolunda sentezlenen tekrar eden isopren ünitelerden oluşan diterpen asit yapısındadırlar. Erken dönemde sentezi plastidlerde gliseraldehit-3-fosfat ve pürivattan, geç dönem sentezi ise endoplasmikretikulum enzimlerinde ve meristem plastidlerinde gerçekleşmektedir.

Sitokinin Bitki dokularında özellikle hücre bölünmeleri esnasında ortaya çıkan ve etkileri özellikle doku kültürü ortamlarında gözlenen hormonlardır.Kinetin ilk olarak herring sperminden izole edilmiştir.Zeatin ilk doğal bitki sitokini olup hindistan cevizinin sıvı endosperminden izole edilmiştir. Sitokinler adenin veya amino pürinden köken alan az sayıda komponent içermektedir. Sitokininlerin etkileri genel olarak büyümenin teşvik edilmesi ve yaşlanmanın geciktirilmesiyle ilişkilidir. Sitokininler lateral sürgün oluşumunu teşvik ederler.Hücre bölünmesinde etkili olan ve yaşlanmayı geciktiren hormonlardır. Giberellinler gibi sitokininler de isopren üniteleri içerirler. Reaksiyonun ilk aşamasında isopentil pirofosfat ve adenozin monofosfat (AMP) insitokinin sentaz enzimi katalizliğinde isopentil adenin ribotid oluşur.Bu komponentte dsitokininribotidler ve sitokininler biçimlendirilmektedir.

Sitokinin Sentezi ve Taşınması Sitokininler ayrıca bakteriler tarafından da (Agrobacterium tumifaciens) sentezlenmektedir.TI (tumor-indükleyici) plazmid isopentil transferaz için ilgili gen bölgesini sunmaktadır.Bu enzim isopentiladenini meydana getirmektedir.Daha sonra bu yapı bitkilerde trans-zeatin ve dihydozeatine çevrilmektedir.Bu hormonlar oksinle birlikte taç tümörü (crowngall) oluşumunda enfeksiyon bölgesinde başka bir Ti plazmit gen ürünü ortaya çıkarmaktadırlar. Sitokininler birçok hücre ve organda sentezlenmekle birlikte kök apikal meristemi temel üretim yeridir.Sitokininler kesilen köklerde ksilemlerde gözlenmiş ve bitkide uzun mesafede taşınması için bu bölgelerin sorumlu olabileceğini göstermektedir. Sitokininler kök ksilemindezeatinribosid yapısında olup yapraklarda hızlıca serbest sitokinine çevrilmektedir. Sitokininler sitokinin oksidaz enzimiyle adenine oksitlendiğinde inaktif hale gelmektedir.

Absisik asit (ABA) Absisik asit tüm yüksek bitki ve kar yosunlarında bulunmuştur. ABA dormansiyi regüle eder ve bitkinin strese cevabında merkezde bulunan hormondur. Molekülün yapısına bakıldığında birkaç formda olabileceği görülmektedir. İlk olarak zincirinin sonunda bulunan karboksil grubu cis veya trans konumda olabilir. Ayrıca C atomunun asimetrik yapısına göre (+) veya (-) (S-R) enantiyomerleri olabilir.ABAnın aktif formu (+) cis-ABA olmakla birlikte (+)-2-trans-ABA da bitkilerde uzun süreli cevapta aktif olan formudur. (+) cis formuna dönüştürülüyor olabilir). Özellikle tohum dormansisi ve strese cevapla ilişkilidir. ABA miktarı embriyo gelişimi sırasında artarken sonrasında azalır. ABA tohumun gelişimin aşamasının sonunda tohumu kurumaya hazırlayan ve sonrasında dormansiye giren embriyodaki gen ekspresyonlarını düzenleyerek dormansiyi sürdürücü etkisi vardır.Ayrıca bazı tohumları da çevre koşulları gelişime uygun hale gelinceye kadar dormansi de tutmaktadır.

Absisik asit (ABA) ABA su stresi altında bulunan bitkilerde stomaların kapanmasına sebep olmaktadır. Köklerin su tutma kapasitesini arttırmaktadır. Kök gelişimini desteklerden sürgün gelişimini inhibe etmektedir. ABA sentezi genellikle kloroplast başlamaktadır. Sentezi sitokinin ve giberellinde olduğu gibi isopentil pirofosfattaisopren alt ünitesi içermektedir. Bunlar oksitlenmiş karotenoidkomponenti olan zeaksantin üretiminde kullanılmaktadırlar. Zeaksantin birçok aşamadan sonra neoksantine (C15 komponentli xanthoxin içerir), sonrasında xanthoxin 2 aşamada ABA ya dönüştürülmektedir.ABA oksidasyonla veya ABA-glukosil ester şeklinde bağlı hale getirilerek inaktive edilmektedir. ABA kök ve sürgünlerde sentez edilir. Fakat stres koşulları altında hücrelerde çok daha fazla miktarda sentezlenmektedir. ABA aynı zamanda sürgünlerden köke floem aracılığıyla da taşınmaktadır.

Poliaminler, Brassionosteroidler ve Oligosakkaritler Poliaminler: 2 veya daha fazla amino grubu içerirler (spermidin, spermin vb). Hücre bölünmesinin hızlı olduğu durumda poliaminlerin miktarı artar. Kokuşma sırasında bazı poliamin formlarının miktarındaki artışın bazı stres koşullarına cevapta rol aldığı, embriyo ve meyve gelişiminden sorumlu olabilecekleri düşünülmektedir. Lizin ve arjinin amino asitlerinden sentezlenirler. Brassionosteroidler: Brassinler fasulyenin ikinci internod bölgesinde aktif olarak bulunan, bu bölgenin şişkinliğine ve sertliğine neden olan, kolza polenlerinden elde edilen, steroid yapısında ham lipoidal ekstraktlardır. Oligosakkaritler:Kompleks polisakkaritler olup bitki hücre duvarlarının dinamik yapılarıdırlar. Bitki doku kültürlerinde bitki gelişimindeki etkileri gösterilmiş, özellikle hücreye patojen mantar ataklarında hücre duvarından dışarıya salınarak hücre savunmasında görev almaktadırlar.

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).