Aspir genotiplerinde kuraklığa dayanıklılığın fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler düzeyde incelenmesi
Investigation of drought tolerance at physiological, biochemical and molecular level in safflower genotypes
Yazar: ŞEKÜRE ÇULHA ERDAL
Danışman: PROF. DR. YASEMİN EKMEKÇİ ; PROF. DR. FÜSUN İNCİ EYİDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyoloji = Biology
Dizin: Antioksidanlar = Antioxidants ; Aspir = Safflower ; Kuraklık = Drought

Özet:
Çalışmada, kuraklık stresine dayanıklı aspir (Carthamus tinctorius L.) çeşit ve hatlarının belirlenmesi ve bu genotipler ile kuraklığa dayanıklı olduğu bilinen yabani aspir türü Carthamus oxyacantha'nın kuraklık stresine verdiği cevapların incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışma 3 aşamadan oluşmaktadır; 1. aşamada (seleksiyon)  ülkemizde yetiştirilen 4 tescilli aspir çeşitleri ve 8 ıslah hatlarının kuraklık stresine karşı dayanıklılıkları ile iyileşme kapasiteleri orta (5 gün) ve şiddetli kuraklık (7 gün) ile onların yeniden sulama sürelerinde (5 gün), polifazik klorofil a fluoresansı kinetikleri; biyokimyasal (iyon sızıntısı ve pigment içeriği) ve fizyolojik (toprak ve yaprak su potansiyeli ile nispi su içeriği) ölçümleri ile taranmıştır, genotipler puanlandırıldıktan sonra dayanıklılık derecelerine göre sınıflandırılmıştır. 2. aşamada (karakterizasyon); seçilen dayanıklı ve hassas genotipler ile yabani aspir türünde kuraklığın (7 gün) ve yeniden sulama koşullarının (5 gün) etkisi; morfolojik, fizyolojik ve biyokimyasal değişimler ile karakterize edilmiştir. 3. aşamada ise aspir genotiplerinde (dayanıklı; Remzibey-05 ve duyarlı; Linas çeşidi ile yabani aspir) kuraklık koşulları altında protein ifadelerindeki değişimler proteomik analizler ile incelenmiştir.
Seleksiyon aşamasında polifazik klorofil a fluoresansı ile bazı fizyolojik ve biyokimyasal analizlerden elde edilen sonuçlara göre hesaplanan kuraklık (KFI) ve iyileşme (IFI) faktör indeksleri, hasar indeksleri ve iyileşme potansiyellerine göre genotipler kuraklığa dayanıklı (Remzibey-05 ile AÖVD-L/14), orta derece dayanıklı ve hassas (Linas ve AÖVD-L/12) olarak sınıflandırılmıştır. Karakterizasyon sonuçları; kuraklığın aspir genotiplerinde büyüme ve gelişmenin azalmasına neden olduğunu göstermiştir. yeniden sulama koşullarında ise genotipler kuraklığa dayanıklılıklarına göre iyileşme sağlayabilmiştir. Morfolojik analizler ise aspir genotiplerinde kuru ağırlığın stresin etkilerini belirlemede bitki boyu, yaprak sayısı ve taze ağırlığına kıyasla daha seçici bir parametre olduğunu ortaya koymuştur. Kuraklık koşullarında, nispi su içeriği, fotosentetik aktivite ve pigment içeriği genel olarak C. oxyacantha'da önemli düzeyde değişmezken; diğer genotiplerde azalmıştır ve en fazla iyileşme Remzibey-05'de belirlenmiştir. Stres koşullarında, en düşük membran hasarı C. oxyacantha'da belirlenirken; en yüksek Linas'ta bulunmuştur. Hidrojen peroksit (H2O2), prolin, antosiyanin ve flavonoid miktarı ile bazı antioksidan enzim aktivitelerinin [süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX), glutatyon redüktaz (GR) ve peroksidaz (POD)] C. oxyacantha'da diğer genotiplerin kontrollerine göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. H2O2 çeşit ve hatlarda kuraklık koşullarında önemli düzeyde artmıştır. Bununla birlikte; yeniden sulamada en fazla Remzibey-05'de azaltır. Prolin, antosiyanin ve flavonoid miktarı ile antioksidan enzim aktivitelerinden [SOD, APX, GR, POD, katalaz (CAT) ve aldoz redüktaz (ALR)] elde edilen sonuçlar bu bulguları destekler niteliktedir. Proteomik analizlerde, genotiplerde farklı şekilde ifade olan 72 proteinden 47 tanesi MALDI-TOF/TOF MS/MS kütle spektrometresi ile ilgili veri tabanları kullanılarak tanımlanmıştır. Kuraklık koşullarında ifadesi değişen proteinlerin çoğunun fotosentez ve karbohidrat metabolizmasında yer aldığı saptanmıştır. Genotiplerin protein ifadelerindeki değişimler; Remzibey-05'in C. oxyacantha'ya benzer şekilde kuraklıkta metabolik aktivitelerini sınırlandırarak stres etkisini azalttığını ortaya koymuştur.

Abstract:
In the study, it was aimed to determine the cultivars and lines of drought tolerant safflower (Carthamus tinctorius L.) and to investigate the responses of these genotypes to the drought stress with the wild safflower Carthamus oxyacantha, which is known to be resistant to drought. The study consists of 3 stages; at stage 1 (selection),  4 registered aspir cultivars and 8 lines grown in our country were screened for drought stress tolerance with recovery capacities during moderate (5 days) and severe (7 days) drought and their re-irrigation periods (5 days) using polyphasic chlorophyll a fluorescence kinetics, biochemical (ion leakage and pigment content) and physiological measurements (soil and leaf water potential with relative water content), genotypes were classified after scored data according to their tolerance rates. At stage 2 (characterization); the impact of drought (7 days) and re-irrigation conditions (5 days) on selected tolerant and sensitive genotypes and wild safflower genotypes were  characterized with morphological, physiological and biochemical changes. At stage 3, changes in protein expression in safflower genotypes (tolerant; Remzibey-05 and sensitive; Linas cultivars with wild safflower) under drought conditions were explored by proteomic analysis.
At selection phase, genotypes were classified as resistant to drought (Remzibey-05 and AÖVD-L/14), moderate tolerant and sensitive (Linas and AÖVD-L/12) according to the drought (KFI) and recovery factor indexes (IFI), damage indices and recovery potentials calculated according to the results obtained from some physiological and biochemical analyzes with polyphasic chlorophyll a fluorescence. Characterization results showed that the drought causes to decrease of the growth and development of the safflower genotypes. In the case of re-irrigation conditions, genotypes can recover according to their tolerance to drought. Morphological analyzes exhibited that dry weight of safflower genotypes is a more selective parameter than other parameters such as plant height, number of leaves and fresh weight in determining the effects of stress. While relative water content, photosynthetic activity and pigment content were generally unchanged in C. oxyacantha under drought conditions; the other genotypes decreased and the maximum improvement was determined in Remzibey-05. Under stress conditions the lowest membrane damage was determined in C. oxyacantha, but  the highest was in Linas. It was determined that hydrogen peroxide (H2O2), proline, anthocyanin and flavonoid amount with some antioxidant enzyme activities  [superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR) and peroxidase (POD)] were higher in C. oxyacantha than they were in the controls of other genotypes. H2O2 content was increased significantly in drought conditions in varieties and lines. However, the most decrease was in Remzibey-05 at rewatering. The results obtained from proline, anthocyanin and flavonoid amount and antioxidant enzyme activities [SOD, APX, GR, POD, catalase (CAT) and aldose reductase (ALR)] support these findings. In proteomic analyzes, 47 of the 72 proteins expressed differentially in the genotypes were identified using databases related to the MALDI-TOF/TOF MS/MS mass spectrometer. Most of the proteins which changed their expression under drought conditions were found to be involved in photosynthesis and carbohydrate metabolism. Changes in protein expression of genotypes were exhibited that Remzibey-05 is similar to C. oxyacantha by limiting its metabolic activities in drought, thereby reducing stress.