BİTKİLERDE KURAKLIĞA TOLERANSIN BELİRLENMESİNDE KULLANILABİLECEK TARAMA YÖNTEMLERİ Şebnem Kuşvuran1 Sevinç Uslu Kıran2 Şebnem Ellialtıoğlu3 1Dr.Çankırı Karatekin Üniversitesi, Kızılırmak Meslek Yüksek Okulu, Çankırı, skusvuran@gmail.com 2 Dr. Toprak Gübre ve Su Kaynakları Merkez Araştırma Enstitüsü, Ankara 3 Prof.Dr. Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Bahçe Bitkileri Bölümü, Ankara Giriş Bitkisel üretimde stres, abiyotik ve biyotik kökenli etmenler nedeniyle bitkinin büyüme ve gelişmesinde azalma ve bunlara bağlı olarak verim düşüklüğü ile sonuçlanan bir dizi gerileme olarak tanımlanabilir (Kuşvuran, 2010). Kuraklık ve tuzluluk dünyada tarımsal üretimi sınırlandıran en önemli abiyotik stres kaynakları olarak karşımıza çıkmaktadır. Kuraklık stresi bitkilerde birçok metabolik olayı olumsuz yönde etkileyen ve özellikle kültür bitkilerinde ürün kalitesi ve verimi düşüren önemli faktörlerdir. Stres faktörleri ve bitkinin stres koşullarında geliştirdiği mekanizmalar açısından bir değerlendirme yapıldığında her iki stres faktöründe de strese cevap niteliğinde, belirli parametrelerde değişiklikler olmakta ve bu değişiklikler iki faktör açısından değerlendirildiğinde birbirine yakın sonuçlar vermektedir (Kalefetoğlu ve Ekmekçi, 2005; Kusvuran, 2010). Burada sunulan çalışmada kuraklığa tolerans özelliği bakımından varyasyona sahip bir gen havuzunda veya populasyonda yapılacak bir tarama (screening) programında kullanılabilecek hızlı ve etkin tarama yöntemleri ele alınmıştır. Büyüme ve Gelişmenin Belirlenmesi: Su kaybıyla hücre özsuyu konsantrasyonu artar böylece protoplazmada artan bir dehidrasyona neden olur. Hücrenin ozmotik su kaybıyla, protoplast hücre çeperinden ayrılır. Stres altındaki plazma membranında gerçekleşen çökme yırtılmalara, zarlar üzerine yerleşmiş olan hidrolitik enzimlerin serbest kalarak sitoplazmanın otolizine neden olur. Oluşan bu etki sonucunda büyümede yavaşlama ve tugorda azalma meydana gelmektedir (Özcan ve ark., 2004; Kalefetoğlu ve Ekmekçi, 2005). Yapılan çalışmalar kuraklık stresinin bitkiler üzerinde oluşturduğu etkilerin anlaşılabilmesi, farklı genotiplerin kuraklık stresinde göstermiş olduğu performansların belirlenebilmesi açısından kök ve gövde kuru ağırlıkları, gövde boyu, yaprak sayısı, yaprak nispi su içeriği (YOSİ) ve stoma geçirgenliği gibi parametrelerin etkin olarak kullanılabileceğini göstermiştir (Türkan ve ark., 2005; Abdalla ve El-Khoshiban, 2007, Martinez ve ark., 2007). Kuraklık Stresinin Fotosentez Üzerindeki Etkisi: Kuraklık bitkide fotosentezi büyük oranda azaltmaktadır. Kuraklık stresi ile toplam yaprak alanı azalmakta ve fotosentez yavaşlamaktadır. Kuraklık stresi altında fotosentezdeki ilk azalma stomaların kapanması ve CO2 absorbsiyonunun azalmasıyla ortaya çıkmaktadır. Bitki, su kaybını önlemek amacıyla stomalarını kapadığında fotosentez için gerekli CO2’nin alımı da önlenmiş olur (Çırak ve Esendal, 2003). Transpirasyon oranı, stoma yoğunluğu ve stomaların açılıp kapanması sırasındaki düzen ile ayarlanmaktadır. Stoma yoğunluğu ve boyutundaki azalma su stresine dayanımı da artırmaktadır ( Tanzarella ve ark., 1984; Nadeau ve Sack, 2002). Kuraklık Stresinde Ozmotik Dengenin Sağlanması : Su noksanlığı bitkilerde turgorite kaybıyla beraber ozmotik potansiyelin de azalmasına neden olmaktadır. Su noksanlığına bir cevap olarak ortaya çıkan bu durum, bitkide çeşitli eriyebilir maddelerin birikimine neden olmakta ve vakuolden yapraklara su ile birlikte taşınan ozmotik maddelerin miktarlarında artışlara neden olmaktadır. Bu durum kök bölgesindeki ozmotik potansiyel ve su alımı mekanizması çerçevesinde ozmotik uyum veya ozmoregülasyon olarak tanımlanmaktadır (Kalefetoğlu ve Ekmekçi, 2005; Nasri ve ark., 2008). Su stresi karşısında bitki hormonlarının değişimi ozmotik uyum açısından oldukça önemlidir. Kuraklığa dayanımda genel olarak bitki bünyesinde ABA miktarı artarken, sitokinin ve giberalik asit miktarı azalmaktadır (Lıvne ve Vaadıa, 1965; Cummins, 1973; Aharoni ve ark., 1977). Kuraklık şiddeti arttıkça prolin birikimi artmaktadır (Gusta and Chen 1987). Prolin, ozmotik bir koruyucu olup, hücresel yapıların korunması ile serbest radikallerin uzaklaştırılmasında rol oynamaktadır (Stoyanov, 2005). Kuraklık Stresine Karşı Geliştirilen Uyum Mekanizmaları: Kurak koşullarda bitkinin hayatta kalmasını sağlayan ve vegetatif dokularda su stresine karsı geliştirilen iki ana savunma mekanizması bulunmaktadır Bunlar; stresten kaçınma ve stres toleransıdır (Levitt 1980). Stresten kaçınan bitkiler yalnızca orta şiddetteki su stresi durumunda hayatta kalırken strese toleranslı bitki grupları ise koruyucu mekanizmalarını çalıştırmak suretiyle çok daha şiddetli su stresi durumunda hayatta kalabilmektedirler. Yaprak alanının küçülmesi, nemli toprak tabakalarına doğru derinlemesine kök gelişimi ve stomaların kapanması, kuraklığa karşı savunmanın ilk adımları olarak bitkide görülen değişimlerdir. Bitkilerde, kuraklık stresine karşı yaprak büyümesinin engellendiği ve yeni yaprak oluşumunun sınırlandırıldığı görülmektedir (Mahajan ve Tuteja, 2005). Diğer yandan, kuraklık stresine tepki olarak, bazı bitkilerde yaprak yüzeylerinin sık tüylerle kaplanması şeklinde morfolojik değişimler görülmektedir. Ayrıca yaprak epidermal yüzeyi üzerinde oluşan kalın mumsu kütikula tabakası, güneş ışınlarını yansıtarak sıcaklığın etkisini azaltır ve böylece transpirasyon hızı düşürülür (Göksoy ve Turan, 1991). Serbest Oksijen Radikalleri : Serbest oksijen radikalleri, özellikle aktif oksijen türlerinin (süperoksit molekülü (O2-), singlet oksijen, hidrojen peroksit (H2O2) ve hidroksil radikallerinin (OH-) oluşumunu içermektedir. Bitkilerde, oksidatif zararın yol açtığı yıkıcı etkilerle mücadele etmek için, yağda çözünen ve membrana bağlı antioksidanlar, suda çözünen antioksidanlar (O2- ve H2O2’nin detoksifikasyonunda rol oynayan glutatyon ve askorbat) ve enzimatik antioksidanlar (süperoksit dismutaz (SOD), katalaz (CAT), peroksidaz (POX), askorbat peroksidaz (APX) ve glutatyon redüktaz (GR))’dan oluşan karmaşık bir antioksidan koruyucu sistemine sahiplerdir. Su stresine maruz kalan bitkiler antioksidan savunma sistemlerinin bazılarının ya da tamamının aktivasyonu ile oksidatif stresin üstesinden gelebilirler (Srivalli ve ark., 2003; Ramachandra ve ark., 2004). Basu ve ark. (2010) çeltikte, Yasar ve ark. (2008) fasulyede, Kusvuran (2010) kavunda yaptıkları çalışmalarda tolerant olan genotiplerin enzim aktivitelerindeki artışın hassas olan genotiplere oranla daha yüksek düzeylerde seyrettiğini ifade etmişlerdir. Sonuç Kuraklığa toleransa sahip genotiplerin belirlenerek üretimde ve gelecekte ıslah çalışmalarında kullanılması büyük bir öneme sahiptir. Bu amaçla etkin, pratik ve kullanılabilir tarama yöntemlerinin ortaya çıkarılması geniş bitki yelpazesinde çalışılmasına da imkan verecektir. Toleransı yüksek genotiplerin seçimi ve buna yönelik çeşitlerin geliştirilmesi ile birlikte mevut olan su kaynakları optimum derece kullanılırken, tarımsal üretimin artırılması da sağlanabilecektir. Kaynaklar Abdalla, M.M., El-Khoshıban, N.H., 2007. The Influence of Water Stress on Growth, Relative Water Content, Photosynthetic Pigments, Some Metabolic and Hormonal Contents of Two Triticium aestivum Cultivars. Journal of Applied Sciences Research, 3(12): 2062-2074. Aharoni, N., Blumenfeit, A., Richmand, A.E., 1977. Hormonal Activity ın Detached Lettuce Leaves as Affected By Leaf Water Content. Plant Physiol, 59: 1169-1173. Asraf, M., Arfan, M., Shahbaz, M., Ahmad, A., Jamil, A., 2002. Gas Exchange Characteristics and Water Relations in Some Elite Okra Cultivars Under Water Deficit. Photosynthetica, 40(4): 615-620. Basu, S., Roychoudhury, A., Paromıta Saha, P., Sengupta, D.N., 2010. Differential Antioxidative Responses of Indica Rice Cultivars to Drought Stres. Plant Growth Regulation, 60 (1): 51-59. Cummıns, W.R., 1973. The Metabolism of Aba in Relation to its Reversible Action on Stomata in Leaves of Hordeum vulgare L. Planta, 114: 159-167. Gutsa, L.V., Chen, T.H.H., 1987. The Physiology of Water and Temperature Stres, American Society of Argon., 115-150. Göksoy, A.T., Turan, Z.M., 1991. Kuraklığın Bitki Fizyolojisi ve Morfolojisi Üzerine Etkileri, U.Ü.Z.F. Dergisi, 8: 149-190. Kalefetoğlu, T., Ekmekçi, Y., 2005. The Effect of Drought on Plants and Tolerance Mechanisms. G. U. Journal Of Science, 18(4): 723- 740. Kuşvuran, 2010. Kavunlarda Kuraklık ve Tuzluluğa Toleransın Fizyolojik Mekanizmaları Arasındaki Bağlantılar (Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bahçe Bitkileri Anabilim Dalı, Doktora Tezi, Mart, 2010, 355s.). Levitt, J. 1980. Responses of Plants to Environmental Stresses. Vol.Ii, 2nd Ed. Academic Press, New York, 607. Livne, A., Vaadia, Y., 1965. Stimulation of Transpiration Rate in Barley Leaves by Kinetin and Gibberelic Acid. Physiol. Plant., 18: 658-664. Mahajan, S., Tuteja, N., 2005. Cold, Salinity and Drought Stresses. An Overview, Archives of Biochemistry and Biophysics, 444: 139- 158. Martinez, J.P., Silva, H., Ledent, J.F., Pinto, M., 2007. Effects of Drought Stress on the Osmotic Adjustment, Cell Wall Elasticity and Cell Volume of Six Cultivars of Common Beans (Phaseolus vulgaris L.) Eur J Argon, 26: 30-38. Nadeau, J.A., Sack, F. 2002. Stomatal Development in Arabidopsis. in Somerville, C. R. Et Al. (Eds). The Arabidopsis Book. American Society of Plant Biologists 2-33. Nasrı, M., Zahedı, H., Moghadam, H.R.T., Ghooshcı, F., Paknejad, F., 2008. Investigation of Water Stress on Macro Elements in Rapeseed Genotypes Leaf (Brassica napus). American Journal of Agricultural and Biological Sciences, 3 (4): 669-672. Ramachandra Reddy, A., Chaıtanya, K.V., Jutur, P.P., Sumıthra, K., 2004. Differential Antioxidative Responses to Water Stress Among Five Mulberry (Morus alba L.) Cultivars, Environ. Exp. Bot., 52: 33-42. Srıvallı, B., Sharma, G., Khanna-Chopra, R., 2003. Antioxidative Defence System in Upland Rice Cultivar Subjected to Increasing Intensity of Water Stress Followed by Recovery. Physiol. Plant., 119: 503-512. Stoyanov, Z.Z., 2005. Effects of Water Stress on Leaf Water Relatıons of Young Bean Plants. Journal Central Eurapean Agriculture, 6 (1): 5-14. Tanzarella, O.A., Pace, C.D., Fılıppettı, A., 1984. Stomatal Frequency and Size in Vicia faba L. Crop Sci. 24: 1070–1076. Türkan, İ., Bor, M., Özdemir, F., Koca, H., 2005. Differantial Responses of Lipid Peroxidation and Antioxidants in the Leaves of Droutght-Tolerant P. acutifolius Gray and Drought Sensetive P. vulgaris L. Subjected to Polyethylene Glycol Mediates Water Stres. Plant Science, 168; 223-231 Yasar, F., Ellialtioglu, S., Yildiz, K., 2008. Effect of salt stress on antioxidant defense systems, lipid peroxidation, and chlorophyll content in green bean. Russian Journal of Plant Physiology, v.55, p. 782–786