Arsenik stresi altındaki buğdayda kamferol ve kuersetin uygulamalarının kloroplastik antioksidan ve tiyoredoksin sistemleri üzerine etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of kaempferol and quercetin treatments on the chloroplastic antioxidant and thioredoxin systems in wheat under arsenic stress
Yazar: BÜŞRA ARIKAN
Danışman: PROF. DR. EVREN YILDIZTUGAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Antioksidanlar = Antioxidants ; Arsenik = Arsenic ; Kamferol = Kaempferol ; Kuersetin = Quercetin ; Tiyoredoksin = Thioredoxin

Özet:
Arsenik (As) toksisitesi, bitki büyümesi ve verimini etkileyerek hem tarımsal üretimi sınırlandırması hem de besin zincirine girerek insan sağlığını tehdit etmesi sebebiyle endişe oluşturmaktadır. Son dönemde As gibi abiyotik stres faktörlerine karşı bitki toleransını arttırmada doğal ve biyoaktif moleküllerin kullanılması üzerine çalışmalar dikkat çekmektedir. Bitkilerde sekonder metabolit sınıfında yer alan fenolik bileşikler antioksidan aktiviteleri ve sinyal iletimindeki rolleriyle, stres tolerans çalışmalarında yüksek potansiyele sahip moleküllerdir. Bu sebeple, bu tez çalışması As stresi (100 µM) altındaki buğday yapraklarına kuersetin (Qu, 25 µM) ve kamferol (K, 25 µM) uygulamalarının büyüme parametreleri, fotosentez etkinliği, kloroplastik antioksidan aktivite ve tiyoredoksin sisteme ait bazı genlerin ekspresyonları üzerine etkilerinin araştırılması amacıyla kurulmuştur. Elde edilen sonuçlar As stresinin nisbi büyüme oranını %50 ve yapraklarda su içeriğini %25 azalttığını göstermiştir. Stres + Qu ve/veya K uygulamalarının büyüme ve su içeriklerindeki As kaynaklı baskılanmayı hafiflettiği gözlenmiştir. Dışarıdan uygulanan fenolikler, klorofil flüoresans parametrelerinde As stresinin etkilerini tersine çevirmiş ve fotosistem II'nin fotokimyasal kuantum verimini korumuştur (Fv/Fm). Kloroplastik antioksidan sistem aktivitelerinin analizi, Qu ve K uygulamalarının SOD, POX, APX dahil olmak üzere antioksidan enzimlerin aktivitelerinde artış sağladığını göstermiştir. Fenolik uygulamaları hücresel redoks dengesinin korunmasında görevli AsA-GSH döngüsünü farklı şekillerde indüklemiştir. Qu'in AsA yenilenmesini, K'ün ise GSH yenilenmesini tetiklediği belirlenmiştir. As stresi altındaki buğday yapraklarında tiyoredoksin sisteme ait genlerin ekspresyonları azalmıştır. As+Qu grubunda NTRA ve TRX15, As+Qu+K grubunda ise TRXh1 genlerinin ekspresyonlarının bir miktar arttığı belirlenmiş olsa da fenolik bileşiklerin tiyoredoksin sistem üzerinde baskın bir etki oluşturmadığı gözlenmiştir. Sonuç olarak Qu ve K uygulamalarının kloroplastik antioksidan sistem aktivitesini arttırarak ve fotosentetik reaksiyonları oksidatif hasardan koruyarak As stresi altındaki buğday bitkilerine tolerans kazandırdığı belirlenmiştir. Bu çalışma biyogüvenilir bir kaynak olarak bitki fenolik bileşiklerinin, tarımsal alanda stres toleransı ve verim artışı çalışmalarında kullanılma potansiyelini ortaya koymaktadır.

Abstract:
Arsenic (As) toxicity is a global concern because it affects plant growth and yield, limiting agricultural production and threatening human health by entering the food chain. Recently, studies on using natural and bioactive molecules to increase plant tolerance against abiotic stress factors such as As have attracted attention. Phenolic compounds, in the secondary metabolite class in plants, are molecules with high potential in stress tolerance studies with their antioxidant activities and their roles in signal transmission. Therefore, this thesis study was conducted to investigate the effects of quercetin (Qu, 25 µM) and kaempferol (K, 25 µM) applications on wheat leaves under As stress (100 µM) on growth parameters, photosynthesis efficiency, chloroplastic antioxidant activity and the expressions of some genes belonging to the thioredoxin system. The results showed that As stress reduced the relative growth rate by 50% and the water content in leaves by 25%. Stress + Qu and/or K treatments were observed to alleviate As-induced suppression in growth and water content. Exogenously applied phenolics reversed the effects of As stress on chlorophyll fluorescence parameters and preserved the photochemical quantum yield of photosystem II (Fv/Fm). Analysis of chloroplastic antioxidant system activities showed that Qu and K treatments increased the activities of antioxidant enzymes, including SOD, POX, and APX. Phenolic applications induced the AsA-GSH cycle, which is responsible for maintaining the cellular redox balance, in different ways. It has been determined that Qu triggers AsA regeneration and K triggers GSH regeneration. The expression of genes belonging to the thioredoxin system decreased in wheat leaves under As stress. Although it was determined that the expression of NTRA and TRX15 genes in the As+Qu group and TRXh1 gene in the As+Qu+K group were slightly increased, it was observed that phenolic compounds did not have a dominant effect on the thioredoxin system. As a result, it was determined that Qu and K applications provided tolerance to wheat plants under As stress by increasing the chloroplastic antioxidant system activity and protecting photosynthetic reactions from oxidative damage. This study reveals the potential of plant phenolic compounds as a biosafe resource to be used in agricultural stress tolerance and yield increase studies.