Ağır metal stresine maruz kalmış fasulye çeşitlerinde CAMTA ve YABBY genlerinin gen ifadesi düzeyinde incelenmesi
Investigation of CAMTA and YABBY genes at gene expression level under heavy metal stress in common bean
Yazar: EVRİM KÖSEOĞLU
Danışman: PROF. DR. EMİNE SÜMER ARAS
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Dünya nüfusundaki hızlı artış ve paralelinde gelişen gıda talebi doğrudan ekilebilir alanlarda verimlilik kontrolünün sağlanmasındaki etkenlerin incelenmesini ve bu değişkenlerle birlikte ortaya çıkan ve çıkabilecek olan problemlerin çözümü için yeni çalışmalar yapmanın gerekliliğini de beraberinde getirmektedir. 

Ağır metallerin bitkilerde çeşitli mekanizmalar üzerinde toksik etkilerinin olduğu bilinmektedir ve bu toksik etkilere bağlı gelişen cevaplarda stres koşullarına yönelik tepkilerin oluşmasında ve bu koşullara adaptasyon sürecinde transkripsiyon faktörlerinden bahsetmek bir zorunluluk halini almaktadır. Bitkilerin ağır metal toksisite tolerans sınırlarının bilinebilmesi için metal tür ve miktarına, zararın derecesine ve ayrıca zarar oluşum sürecine ait verilerin de bilinmesi gerekmektedir. Bu bilimsel verilerin bilinmesi ve ölçülmesi bitkilerin gelişimi ve canlılığı açısından oldukça önemlidir. 

Bu tez çalışmasında CAMTA ve YABBY genleri (transkripsiyon faktörleri) seçilerek, kurşun (Pb), bakır (Cu) ve kadmiyum (Cd) stresine maruz kalmış iki farklı fasulye çeşidinin (Akman-98- Önceler-98) gen ifade profillerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Farklı derişimlerde bakır (Cu), kurşun (Pb) ve kadmiyum (Cd) stresleri uygulanmış iki farklı fasulye çeşidi yaprak örneklerinde ilgili genlerin, qRT-PCR metodu ile ifade düzeyleri belirlenmiş ve housekeeping gen olan aktin (ACT) genine göre normalizasyonu sağlanmıştır. Çalışmada elde edilen sonuçlar, iki farklı fasulye çeşidine ait yaprak dokularında farklı derişimlerde bakır (Cu), kadmiyum (Cd), kurşun (Pb) stresi uygulaması sonrasında hedef genlerin ifadesinde kontrole göre önemli farklılıklar meydana geldiğini ortaya koymuştur. Kurşun (Pb) derişiminde artışın Akman-98 çeşidinde CAMTA gen ekspresyonu üzerinde çok etkili olmadığı, belirlenmiştir. Bakır (Cu) derişiminin Akman-98 çeşidinde gen ifade düzeyinde artışa, Önceler-98 fasulye çeşidinde ise azalışa neden olduğu saptanmıştır. Kadmiyum (Cd) stresi uygulanan örneklerde, Akman-98 fasulye çeşidinde her iki gende de ifade artışı gözlenmiştir. Önceler-98 çeşidinde ise YABBY-7 genine ait ifade seviyesinde azalış, CAMTA-4 geninin ifade düzeyinde ise artış meydana geldiği tespit edilmiştir. 

Bitkilerde stres adaptasyonu oldukça kompleks cevap mekanizmalarından oluşmaktadır. Bu nedenle CAMTA ve YABBY gen ailelerinin iki farklı fasulye çeşidinde ağır metal stres toleranslarının belirlenmesi ve karşılaştırılması; bitkilerde abiyotik stres toleransında yer alan moleküler mekanizmaların daha derinden aydınlatılması ve stres cevap mekanizmalarında etkili oldukları bilinen iki gen ailesinin, kilit rollerinin belirlenmesi için oldukça önemlidir. Bu çalışma ile uygulanan stresler sonrasında iki farklı fasulye çeşidinin gen ifade profillerinin farklı seyretmesi, tolerans ve adaptasyon mekanizmalarının farklı evrimsel süreçler izlediğini göstermektedir. Bu bulgulardan yola çıkılarak, CAMTA ve YABBY genlerinin bitkilerin çok değişkenli stresler altındaki rollerinin belirlenmesi ve potansiyel genetik belirteçler olarak kullanılabilmesi de mümkün görünmektedir.

Abstract:
The rapid increase in the world population and the growing food demand in parallel bring about the examination of the factors in ensuring efficiency control in the arable land and the need for new studies to solve the problems that may arise with these variables.

It is known that heavy metals have toxic effects on various mechanisms in plants and it becomes a necessity to consider transcription factors in the response to stress conditions and in the adaptation process of plants to these conditions. In order to know the range of tolerance of heavy metal toxicity in plants, various data such as the type and amount of metal, the degree of damage and also the process of damage formation should be available. Knowing and measuring these concepts is very important for the development and viability of plants.

In this study,  gene expression profiles of two genes belonging to different transcription factor families; CAMTA and YABBY, were investigated in two different common bean varieties exposed to lead (Pb), copper (Cu) and cadmium (Cd)  stress Various concentrations of the heavy metals were applied to the leaves of two different common bean varieties (Akman-98 and Önceler-98) and, the expression levels of the genes were determined by qRT-PCR followed by a  normalization procedure performed by using actin (ACT) as a housekeeping gene. Results revealed that mRNA levels of target genes show differences after lead (Pb), copper (Cu)and cadmium (Cd) stress exposure.  Increasing the concentration in the lead (Pb) stress was not very effective in CAMTA genes on Akman-98 variety It was determined that copper (Cu) concentration cause the increased gene expression level in Akman-98 bean variety and cause the decreased in Önceler-98 bean variety. Increasing the concentration of cadmium (Cd) caused an increase in expression levels in both genes in Akman-98 bean variety. Higher concentrations of cadmium (Cd) caused as the decrease in YABBY-7 gene expression level and the increase in CAMTA-4 gene expression level in Önceler-98 bean variety.

Stress adaptation in plants consists of highly complex response mechanisms. For this reason, determination and comparison of heavy metal stress tolerances of CAMTA and YABBY gene families in two different bean varieties are more important for the deeper elucidation of the molecular mechanisms involved in abiotic stress tolerance in plants and to determine the key roles of the two gene families which are known to be effective in stress mechanism mechanisms. The differences in gene expression profiles of two different bean varieties after the stresses applied by this study show that tolerance and adaptation mechanisms follow different evolutionary processes. Based on these findings, it is also possible to identify the roles of CAMTA and YABBY genes under multivariate stresses and to use them as potential genetic markers.