Duman çözeltisi, karrikinolid ve siyanohidrin'in tohum çimlenmesi ve fide gelişimi üzerine fizyolojik ve biyokimyasal etkilerinin araştırılması
The investigation of physiological and biochemical effects of smoke solution, karrikinolide and cyanohydrin on seed germination and seedling growth
Yazar: ŞÜKRÜ SERTER ÇATAV
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KÖKSAL KÜÇÜKAKYÜZ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyoloji = Biology ; Botanik = Botany

Özet:
Yangın, bitki komünitelerinin kompozisyonunu ve dağılımını şekillendiren yaygın bir müdahale etmenidir. Birçok bitki türü, yangına eğilimli alanlardaki devamlılıklarını sürdürebilmek için tohum bekletme (serotinlik), yanıcılık, sürgün verme, yangınla uyarılan tohum çimlenmesi ve yangın sonrası çiçeklenme gibi bir takım adaptif özellikler geliştirmiştir. 
Dumanın tohum çimlenmesi üzerindeki pozitif etkisi, farklı ortamlarda yetişen birçok bitki türünde gösterilmiştir. Buna ek olarak, dumanın çeşitli bitkilerde fide büyümesini, somatik embriyogenezi ve polen çimlenmesini tetiklediği de tespit edilmiştir.
Son yıllarda, duman maruziyetiyle ilişkili biyokimyasal ve moleküler değişiklikleri belirlemek için çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bununla birlikte, duman ve duman kökenli bileşiklerin (örneğin, karrikinolid (KAR1) ve siyanohidrin) çimlenme ve fide büyümesi üzerindeki etki mekanizmaları hakkında hala sınırlı bilgi bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, bitkilerde duman, KAR1 ve siyanohidrin ile ilişkili yanıtlara daha fazla ışık tutmak için üç çalışma gerçekleştirilmiştir.
İlk çalışmada, Akdeniz havzasında yetişen 37 türün çimlenmeleri ve fide büyümeleri üzerine duman çözeltisi, KAR1, mandelonitril (bir siyanohidrin analoğu), potasyum nitrat ve giberellik asidin etkileri test edilmiştir. Sonuçlarımız, 21 türde çimlenmenin ve/veya fide büyümesinin yangınla ilişkili en az bir uygulama tarafından tetiklendiğini göstermiştir. Ayrıca yangın kökenli bileşiklerin, sürgün büyümesine kıyasla kök büyümesini uyarmada daha etkili oldukları tespit edilmiştir.
İkinci çalışmada, farklı duman ön uygulamalarına tabi tutulan mısır tohumları ile bir fide büyüme deneyi gerçekleştirilmiş ve mısır kök örneklerinin metabolik profilleri 1H nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi kullanılarak belirlenmiştir. NMR spektrumlarından, farklı kimyasal gruplara ait toplam 29 metabolit tanımlanmıştır. Bu 29 metabolitten 20'sinin konsantrasyonu, en az bir duman ön uygulaması sonrasında kontrole göre anlamlı olarak (p < 0.05) değişmiştir. Ayrıca fonksiyonel analizlerin sonuçları, duman ön uygulamalarının galaktoz  
metabolizması, glikoliz, glioksilat metabolizması, TCA döngüsü ve nişasta/sükroz metabolizması gibi karbonhidrat ve enerji ile ilişkili metabolik yolları belirgin olarak etkilediğini göstermiştir.
Üçüncü çalışmada, bor toksisitesi altındaki buğday fidelerinde, duman çözeltisi ve KAR1'in büyüme ve oksidatif stres üzerine etkileri incelenmiştir. Sonuçlarımız, KAR1 ve duman uygulamalarının, kök ve sürgün dokularındaki bor birikimini azaltarak, kök büyümesini arttırdıklarını ve oksidatif hasarı hafiflettiklerini ortaya koymuştur.
Bir bütün olarak ele alındığında, bu tezin bulguları, duman ve duman kökenli bileşiklerin (i) birçok Akdeniz bitkisinde çimlenme ve fide büyümesini uyardıklarını, (ii) karbonhidrat ve enerji ile ilişkili metabolik yolları etkilediklerini ve (iii) buğday fidelerinin bor stresine olan toleransını arttırdıklarını göstermiştir.

Abstract:
Fire is a common disturbance agent that has shaped the composition and distribution of plant communities. Many plant species have evolved adaptive traits such as serotiny, flammability, resprouting, fire-stimulated germination and post-fire flowering to persist in fire-prone areas. 
The positive effect of smoke on seed germination has been shown in many plant species grown in different environments. In addition to this, it has also been determined that smoke triggers seedling growth, somatic embryogenesis and pollen germination in various plants. 
In recent years, a quite number of studies have been conducted to determine the biochemical and molecular alterations associated with smoke exposure. However, there is still limited knowledge concerning the modes of action of smoke and smoke-derived compounds (e.g. karrikinolide (KAR1) and cyanohydrin) on germination and seedling growth. Within the scope of this thesis, three studies were carried out in order to shed more light on smoke, KAR1, and cyanohydrin related responses in plants.
In the first study, the effects of the smoke solution, KAR1, mandelonitrile (a cyanohydrin analog), potassium nitrate and gibberellic acid on the germination and seedling growth of 37 species from the Mediterranean Basin were tested. Our results showed that germination and/or seedling growth in 21 species were triggered by at least one of the fire-related treatments. Moreover, it was found that fire-derived compounds were more effective in stimulating root growth than shoot growth.
In the second study, a seedling growth experiment was performed with maize seeds subjected to different smoke pre-treatments and the metabolic profiles of maize root samples were determined using 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. A total of 29 metabolites belonging to various chemical groups were identified from NMR spectra. Concentrations of 20 out of these 29 metabolites displayed significant (p < 0.05) changes after at least one smoke pre-treatment compared to control. Furthermore, the results of functional analyses demonstrated that smoke pre-treatments markedly affected the carbohydrate- and energy-related metabolic  
pathways, such as galactose metabolism, glycolysis, glyoxylate metabolism, TCA cycle, and starch/sucrose metabolism. 
In the third study, the effects of the smoke solution and KAR1 on growth and oxidative stress in wheat seedlings under boron toxicity were examined. Our results revealed that KAR1 and smoke treatments enhanced the root growth and alleviated the oxidative damage by decreasing boron accumulation in root and shoot tissues.
Taken as a whole, the findings of this thesis suggested that smoke and smoke-derived compounds (i) stimulated the germination and seedling growth in many Mediterranean plants, (ii) affected the carbohydrate- and energy-related metabolic pathways and (iii) enhanced the tolerance of wheat seedlings to boron stress.