SOĞUK STRESİNİN BİTKİLER ÜZERİNE ETKİLERİ VE TOLERANS MEKANİZMALARI

... konulu sunumlar: "SOĞUK STRESİNİN BİTKİLER ÜZERİNE ETKİLERİ VE TOLERANS MEKANİZMALARI"— Sunum transkripti:

1 SOĞUK STRESİNİN BİTKİLER ÜZERİNE ETKİLERİ VE TOLERANS MEKANİZMALARI
HAZIRLAYAN: BİLGEHAN TURAN CERTEL

2 Soğuk stresi, bitkilerin yeryüzündeki dağılımını belirleyen ve gelişimini etkileyerek verim kayıplarına neden olan en önemli çevre faktörlerinden biridir. Soğuk stresi; stresin şiddetine ve süresine, strese maruz kalan bitkinin genotipine ve gelişme dönemine bağlı olarak büyüme ve gelişmeyi olumsuz etkileyebilmektedir. Ancak çeşitli bitkiler, donma derecesinin üzerindeki düşük sıcaklıklara belirli bir süre maruz kaldıklarında oluşan fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler değişikler sonucu soğuğa karşı tolerans kazanmaktadırlar.

3 Turunçgillerde, kışlık tahıllarda, patateste, yaprağını döken meyve ağaçlarında ve bazı sebzelerde 2°C’lik bir dona dayanıklılık sağlanabilirse, bunların toplam veriminde önemli artışlar olacaktır. Tersi durumda da önemli kayıplar söz konusu olabilir. Mesela, Dünyanın ortalama sıcaklığındaki 1°C azalma, pirinç üretiminde %40’lık azalmaya neden olabilir (Pearce, 1999).

4

5 Soğuk stresinden etkilenmelerine göre bitkiler
Soğuğa hassas olanlar (12°C’nin altındaki sıcaklıklardan zarar görürler) Soğuğa toleranslı fakat dona duyarlı olanlar (12°C’nin altındaki sıcaklıklara uyum sağlayabilir, fakat donma sıcaklıklarında hayatta kalamazlar) Donmaya toleranslı olanlar (donma sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda hayatta kalabilirler ve bu sıcaklıklara uyum sağlayabilirler)

6 SOĞUK STRESİNİN BİTKİLER ÜZERİNE ETKİLERİ
Donma derecesinin üzerindeki düşük sıcaklıklarda meydana gelen soğuk zararı, bitkinin soğuğa maruz kalmasıyla tetiklenen fiziksel ve/veya fizyolojik değişikliklerdir. Fizyolojik değişiklikler birincil (primer) ve ikincil (sekonder) zarar olarak ikiye ayrılabilir. Birincil zarar, bitkide fonksiyon bozukluğuna neden olan ilk hızlı tepkidir. Fakat, bu fonksiyon bozukluğu geri dönüşümlü olup, sıcaklığın normal koşullara yükselmesi sonucunda kolayca düzelebilir. İkincil zarar ise birincil zararın bir sonucu olarak ortaya çıkan fonksiyon bozukluklarıdır ve geri dönüşümlü olmayabilir. Bununla beraber, karakteristik soğuk zararının görsel belirtileri, ikincil soğuk zararından kaynaklanır.

7 Soğuk Stresinin Hücresel Düzeyde Etkileri
Soğuğun bitkiler üzerindeki en olumsuz etkisi hücre zarı zararlarına yol açmasıdır. Bu zarar büyük ölçüde dehidrasyon nedeniyle meydana gelmektedir. Hücre zarı lipidlerinin içeriği bitkinin soğuk duyarlılığında ya da toleransında büyük önem taşımaktadır. Soğuk stresinde ilk ve en şiddetli etkilenen organel, kloroplasttır. Tipik olarak soğuk zararının belirtileri kloroplast şişmesi, tilakoyidlerin biçim değiştirmesi ve şişmesi, nişasta granüllerinin boyutunda ve sayısında bir azalma ve kloroplast zarından periferal retikulum denilen küçük çıkıntıların oluşumudur

8 Mitokondri, kloroplastın aksine soğuk stresine daha toleranslı bir organeldir ve sadece soğuğa karşı aşırı duyarlı bitkilerin mitokondrileri düşük sıcaklıklardan görünür şekilde etkilenir. Nukleus, donma derecesinin üzerindeki düşük sıcaklık stresinde nadiren görünür değişikliklere uğrar. Aşırı duyarlı bitkilerin soğuk stresine maruz bırakılmış hücre kültürlerinde kromatinin yoğunlaşması, kromatin ve çekirdekçiklerdeki parçalanma nedeniyle çekirdekte meydana gelen şişme ve mikrofilamentlerde yığınlaşma gözlenmiştir. Tüm bunlara ek olarak, düşük sıcaklıklara maruz kalan hücrelerde golgi vezikülleri genişler ve endoplazmik retikulum irileşir.

9 Soğuk Stresinin Bitki Organları Üzerine Etkileri
Soğuk zararının ilk belirtilerinden biri kökten su alımı ve transpirasyon arasındaki dengenin değişmesi nedeniyle meydana gelen gövde dehidrasyonudur (Vernieri vd., 2001). Ayrıca, kökte olduğu gibi gövdede de büyüme hızı azalır. Soğuk uygulaması sonucu bitkilerin yaprak genişliği azalır. Daha şiddetli soğuk stresi hücresel otolizi ve yaşlanmayı artırır.

10 Soğuğa en duyarlı organlar üreme organlarıdır
Soğuğa en duyarlı organlar üreme organlarıdır. Soğuk, çiçek indüksiyonunu, polen üretimini ve çimlenme zamanını olumsuz etkileyebilir ve bazı duyarlı türlerde çiçek açma zamanında düşük sıcaklığa maruz kalma, kısırlığa neden olabilir.

11 Soğuk Stresinin Bitkinin Gelişim Evreleri Üzerine Etkileri
Tohum, düşük nem içeriği ve dinlenme halinde (dormant) olması nedeni ile uzun süreli düşük sıcaklıklara çok toleranslıdır. Çimlenme ve erken fide gelişim evreleri düşük sıcaklıklardan önemli şekilde etkilenirler. Büyüme ve gelişme baskılanır, hatta aşırı duyarlı türlerde tepe tomurcuğu zarar görür. Üreme organlarının oluşumu, çiçeklenme ve tohum soğuk stresine duyarlıdır. Düşük sıcaklıklarda polen çimlenmesi ve polen tüpü oluşumu baskılanır.

12 SOĞUK STRESİNİN FOTOSENTEZ ÜZERİNE ETKİLERİ
Fotosentez, ışık enerjisini biyokimyasal olarak kullanılabilen kimyasal potansiyel enerjiye (ATP) ve redoks potansiyel enerjisine (NADPH), kloroplast tilakoyid zarlarının bileşenleri aracılığıyla dönüştüren başlıca mekanizmadır. Fotosentezin birincil reaksiyonları sıcaklığa bağımlı değildir ve ışık enerjisini yakalamak ve bu enerjiyi redoks potansiyel enerjiye aktarmak için fotosistem (PS) I ve PSII tarafından katalizlenirler. Buna karşılık, sıcaklığa bağımlı biyokimyasal reaksiyonlar bu redoks potansiyel enerjisini kararlı NADPH formuna dönüştürür (Paul ve Foyer, 2001; Ensminger vd., 2006). Bu sıcaklığa bağımlı reaksiyonlar soğuk stresi koşullarında inhibe olurlar.

13 Sıcaklığın Fotosentez Üzerine Etkisi

14 Düşük sıcaklıklar kinetik etkiler yüzünden tüm metabolik reaksiyonları yavaşlatır. Ancak, özellikle fotosentez açısından iki duyarlı metabolik reaksiyon vardır; bunlar CO2 fiksasyonu ve stoma açıklığını düzenleyen reaksiyonlardır. Bu nedenle, stomanın su kaybını düzenleme yeteneğinin ve CO2 değişiminin engellenmesi yaprakların soğuğa maruz kalmalarının iki önemli sonucudur. Kök zarından su geçirgenliğinin azalması nedeni ile stoma açıklığı düşük sıcaklıklarda genellikle azalır.

15 SOĞUK UYUMU (AKLİMASYONU)
Çeşitli bitki türleri soğuk ya da donma toleransı derecelerini düşük fakat donma derecesinde olmayan sıcaklıklara belirli bir süre maruz kalarak artırma yeteneğine sahiptirler, bu olay “soğuk uyumu veya soğuk aklimasyonu” olarak bilinir. Soğuk uyum yeteneği, çok sayıda geni içeren ve bu gen ifadelerinin çoğunlukla düşük sıcaklıkla kontrol edildiği bir poligenik özelliktir. Bu genlerin ifade seviyelerindeki değişimler, soğuk uyumunun karakteristiği olan pek çok moleküler ve fizyolojik değişikliklere neden olur (Şekil 1)

16

17 Çözünür karbohidratların koruyucu etki mekanizması
En önemli değişiklik, prolin, betain ve/veya çözünür karbohidratlar gibi bitki çeşidine göre farklılık gösteren, birbirinin yerine geçebilen osmolitlerin hücresel konsantrasyonlarındaki artışlarıdır (Warren, 2001). Çözünür karbohidratların koruyucu etki mekanizması (1) hücre zar sistemine soğuk-koruyucu (cryoprotective) etkisi, (2) bir enerji kaynağı olarak metabolik etkisi ve diğer koruyucu bileşiklerin öncüsü olması, (3) hücreler arası buz oluşumunu durduran osmotik etkisi ya da (4) daha sonra yaprağın yeniden gelişimini sağlayan erteleme etkisi ile ilişki olabilir. Şekerlerin ve düşük sıcaklığın uyardığı bazı proteinlerin soğuğa karşı koruyucu (Kryoprotektif, cryo = ‘soğuk’) etkileri olduğu sanılmaktadır; bu proteinler düşük sıcaklığın uyardığı su kaybı sırasında proteinlerin ve zarların kararlılığını arttırmaktadır

18 ABA’in donmaya karşı toleransı uyardığı sanılmaktadır
ABA’in donmaya karşı toleransı uyardığı sanılmaktadır. Bitkilere ABA uygulandığında, alışılması mümkün olmayan sıcaklıklarda donmaya karşı tolerans gelişmektedir. Düşük sıcaklıklarda ya da su kıtlığı altında ifade olan pek çok gen ve protein, aynı zamanda alışılması mümkün olamayan sıcaklıklarda, ABA tarafından uyarılmaktadır. Bütün bunlar, donmaya karşı toleransta ABA’in rolünü desteklemektedir.

19 Soğuk Uyumu ve Gen Ekspresyonu
Belli genlerin ifade olması ve özel proteinlerin sentezlenmesi, hem ısı stresi hem de soğuk stresi için ortak olmakla birlikte, genlerin soğukta ifade olması bazı yönlerden ısı stresinin bu yöndeki etkisinden farklıdır (Thomashow 2001). Soğuk dönemlerde ‘housekeeping’ proteinlerin (stres yokluğunda yapılan proteinler) sentezi ile ilgili genlerin ifadesi azalmazken, ısı stresi sırasında housekeeping protein sentezi önemli ölçüde durmaktadır.

20 Soğuk stresine bağlı olarak daha fazla ifade olan protein sınıfı antifriz proteinleridir. Bu proteinler kristallerin bir araya gelmesini engelleyerek buz oluşumu önler. Böylece orta şiddetteki dondurucu sıcaklıklarda donma zararmı engeller. Antifriz proteinleri akıcı çözeltiye termal histerezis özelliği sağlamaları nedeniyle bazen termal histerezis proteinleri (THP) olarak isimlendirilir. Ozmotik stresle ilişkili olan diğer bir protein grubu da soğuk stresi sırasında artmaktadır Antifriz proteinleri ilk kez kutuptaki buzullar altında yaşayan balıklarda keşfedilmiştir. (katidan sı­vıya geçişe göre sıvıdan katiya geçiş, daha düşük bir sıcaklıkta artar) grupta, zarın kararlılığının sürdürülmesi için gerekli olan ve ozmolitlerin sentezinde yer alan proteinler ve de LEA proteinleri yer alır. Hücreler arası alanlardaki buz kristalleri hücrenin kısmı için önemli bir ozmotik stres oluşturduğundan, donma stresi ile baş etmek için oz­motik stres ile de başa çıkılması gerekir.

21 Soğuğa Dayanımda Moleküler Çalışmalar
Farklı bitki tür ve çeşitlerinde soğuğa duyarlı genlerin izolasyonu, karakterizasyonu ve soğuk aklimasyonunun genetiğinin ortaya konulması için birçok çalışma yürütülmüştür. Soğuk uyartımlı proteinlerin sentezi mRNA’nın translasyonunda değişimlerle olmaktadır. Yapılan çalışmalarla mRNA profilindeki değişim ve artan dona dayanım arasında ilişki olduğu belirlenmiştir.

22 Kayın bitkisinde soğuk aklimasyonu ile ilgili yapılan çalışmada dona dayanımda etkiye sahip olduğu belirlenen Bplti36, 36kD geninin, düşük sıcaklık yanında, kuraklık, tuz streslerine ve dıştan ABA uygulamasına tepki gösterdiği belirlenmiş ve bu genin Arabidopsise transplante edilmesi sonucunda bu özelliğin aktarıldığı tespit edilmiştir.

23 Bitkide dona dayanım mekanizması ile ilgili genler, düşük sıcaklığa tepki gösterenler (LTRE), soğuk uyartımlı genler (COR), ABA-uyartımlı genler (ABRE) şeklinde ayrı ayrı incelenmektedirler (Puhakainen, 2004). ABA bitkilerde soğuk aklimasyonu süreciyle ilgilidir. ABA’nın düşük sıcaklığa maruz kalan otsu ve odunsu bitkilerde arttığı ve dıştan uygulanmasının üşüme ve don toleransında artış sağladığı belirlenmiştir.

24 Soğuk Stresine Dayanıklılığın Testi
Soğuk stresi altında meydana gelen zararlanmalar veya değişikler belirlenirken genotipler arasındaki farklılıkların morfolojik ve fizyolojik parametreler yardımıyla ortaya konulur. Yapraktaki klorofil içeriği bir bitkinin fizyolojik durumunun göstergesidir. Yapraktaki klorofil miktarı ve yoğunluğu ölçümleri birçok çalışmada kullanılmıştır.

25

26 (kontrol) 2 gün 4 gün 6 gün 8 gün
Şekil 2: Aynı yaştaki (35 gün) domates genotiplerinde 0, 2, 4, 6 ve 8 günlük düşük sıcaklık (2/24oC, 8 saat gece/12 saat gündüz) uygulaması sonucu yeşil aksamda biyomas kaybı.

27 Bitkinin solunum, fotosentez ve terlemesinde önemli yeri olan stomalarının ne derece zarar gördüğünü belirlemek amacıyla stoma iletkenliği ölçümleri yapılmaktır. Generatif devrede oluşan soğuk ve don stresinin polen canlılığına zarar verdiği ve çeşit ve çevre koşullarına bağlı olarak çimlenmesini düşürdüğü bilinmektedir.

28 Hücre membran stabilitesi stres toleransını belirlemek için yaygın bir şekilde kullanılır ve yüksek membran stabilitesi abiotik stres koşullarına toleransla doğru orantılıdır . Bununla birlikte iyon sızıntısı testi, zararlanmanın bir sonucu olarak ortaya çıkan hücre membranındaki fonksiyon bozuklukları nedeniyle sitoplazmadan apoplastik sıvıya sızan iyonların miktarının belirlenmesi prensibine dayanmaktadır.

29 Sonuç olarak, bitkiler düşük sıcaklıklar sonucu oluşan üşüme ve don stresine tolerans sağlamak ve korunmak için farklı mekanizmalar geliştirmektedirler. Bu mekanizmaların biyofiziksel, biyokimyasal ve moleküler olarak daha detaylı araştırılması sonucu bitkilerin soğuğa dayanımı konusunda önemli sonuçlar elde edilebilecektir. Böylelikle dünya üzerinde bitkilerin yayılım sınırlarını belirleyen en önemli faktörlerden biri olan düşük sıcaklıklara daha dayanıklı bitki tür ve çeşitleri seçilebilecek ve bu konuda yapılacak ıslah çalışmalarına önemli katkılar sağlanabilecektir.

30 TEŞEKKÜRLER