Mısır (Zea mays L.) bitkisinin üşümeye direnci üzerine karnitinin etkilerinin lipid ve solunum metabolizması ile bağlantılı olarak araştırılması
Investigation of the carnitine effects on chilling resistance of maize (Zea mays L.) plant in connection with lipid and respiratory metabolism
Yazar: HÜLYA TÜRK
Danışman: PROF. DR. RAHMİ DUMLUPINAR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Botanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Botanik = Botany

Özet:
Mevcut çalışmada, mısır (Zea mays L.) bitkisinin büyüme ve gelişmesi ile soğuğa toleransı üzerine dörtlü amonyum bileşiği olan karnitinin etkilerinin lipid katabolizması ve mitokondriyal solunum metabolizması temelinde araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla 9 günlük mısır fideleri dört farklı gruba ((I. Kontrol, II. Soğuk, III. Soğuk+ Karnitin ve IV. Karnitin) ayrılarak, I. ve II. gruplara saf su, III. ve IV. gruplara ise 25 µM karnitin uygulaması yapılmıştır. Uygulamadan yaklaşık 6 saat sonra, I. ve IV. gruptaki bitkiler 25/20°C'ye, II. ve III. gruptaki bitkiler ise 9/5°C'ye ayarlanan iklim dolaplarına aktarılmış; mevcut koşullarda 72 saat büyütüldükten sonra tüm gruplar hasat edilmek suretiyle fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler parametrelerinde meydana gelen değişimler belirlenmiştir. Soğuk ve karnitin uygulamalarının lipidlerin solunuma dahlini uyarıp uyarmadığını ortaya koymak bağlamında; çalışılan lipaz, karnitin açil transferaz (CAT I ve CAT II) ve sitrat sentaz (CS) aktivitelerinde önemli artışlar belirlendi. Bu enzimler için en yüksek değerler ise soğuk ve karnitinin birlikte uygulandığı bitkilerde kaydedildi. Oksijen tüketimi ölçümleri neticesinde, ayrı ayrı soğuk ve karnitin uygulanan bitkilerde toplam solunum hızlarının yanı sıra, sitokrom yolu, alternatif solunum yolu ve eşleşme önleyicilerin hızlarında kontrol bitkilerine kıyasla belirgin artışlar kaydedilirken, bu parametreler için en yüksek değerler yine karnitin ile soğuğun birlikte uygulandığı gruplarda belirlendi. Lipid ve solunum metabolizmalarında görevli enzimlerin aktivitelerinde kaydedilen soğuk ve/veya karnitin indüklü bu artışlar, hücrelerin total lipid içeriklerinde kaydedilen azalma ve serbest ve açil-karnitin içeriklerinde belirlenen artışlar ile de pozitif bir korelasyon gösterdi. Ayrıca soğuk ve/veya karnitin uygulamalarının, bu yollarda görevli enzimlerin sadece aktiviteleri üzerine değil, aynı zamanda gen ekspresyonları (lipaz, CS, sitokrom oksidaz (COX) ve alternatif oksidaz (AOX)) ve protein ifadeleri (AOX ve COX) üzerine de benzer etkiye sahip oldukları belirlendi. Öte yandan, krebs döngüsüyle bağlantılı olan azot asimilasyonunun enzimlerinden biri olan NADH bağımlı glutamat dehidrogenazın (NADH-GDH) aktivitesinde ve gen ekspresyon seviyesinde soğuk kaynaklı meydana gelen inhibisyon, karnitin uygulaması ile önemli oranda yatıştırılırken, tek başına karnitin uygulaması ile bu enzimin aktivitesinde ve gen ekspresyon seviyesinde belirgin bir artış kaydedildi. Mevcut çalışmada ayrıcalipid ve solunum metabolizmasında belirlenen karnitin ve/veya soğuk indüklü aktivasyon ile mısır bitkisinin büyüme parametreleri ile soğuğa tolerans derecesi arasındaki ilişki de çalışıldı. Soğuk uygulaması, mısır bitkilerinin kuru madde içeriğinde artışa neden olurken, kök ve yaprak uzunluğu ile yaprak yüzey alanlarını önemli derecede inhibe etti. Dahası soğuk stresi, hem süperoksit anyonu hem de hidrojen peroksit gibi reaktif oksijen türlerinin (ROT) seviyelerinde önemli artışa neden olurken; lipid peroksidasyon, elektrolit kaçağı ve protein oksidasyonu gibi oksidatif stres parametrelerinin de yükselmesine yol açtı. Karnitin uygulaması ise hem ROT içeriğinde hem de oksidatif stres parametrelerinde meydana gelen soğuk kaynaklı artışları önemli oranda engelledi. Yağ asidi analizi sonuçları gösterdi ki; soğuk ve karnitin uygulamaları doymuş yağ asidi içeriklerini azaltırken, doymamış yağ asidi içeriklerinde belirgin bir artışa neden oldu. En yüksek doymamış yağ asidi içeriği ise soğukla birlikte karnitin uygulanan bitkilerde kaydedildi. Tüm bu bulgular ışığında; karnitin uygulamasının bitkilerde lipid katabolizmasını hızlandırmak suretiyle yağ asitlerinin mitokondriye taşınması ve solunuma dahil olmasını uyardığı, böylelikle hem enerji hem de solunumla bağlantılı diğer yolakların aktivasyonu sayesinde normal koşullar altında bitki büyüme ve gelişmesine, soğuk koşullarda ise büyümenin devamlılığı ile birlikte bitki toleransına katkı sağladığı söylenebilir.

Anahtar Kelimeler: Karnitin, lipid metabolizması, solunum, soğuk stresi, mısır

Abstract:
In the present study, it was aimed to investigate the effects of carnitine, a quaternary ammonium compound, on the growth and development, and cold tolerance of maize (Zea mays L.) plant on the basis of lipid catabolism and mitochondrial respiration metabolism. For this purpose, 9-day-old maize seedlings were divided into four different groups (I. Control, II. Cold, III. Cold + Carnitine and IV. Carnitine); and group I and II were applied with distilled water and the other groups (III and IV) were treated with 25 µM carnitine.  Approximately 6 hours after the application, the plants in the group I and IV were transferred to climate cabinets set at 25/20°C and the plants in the group II and III were transferred to climate cabinets set at 9/5°C; and 72 hours after, all groups were harvested and the changes in physiological, biochemical and molecular parameters were determined. Significant increases were determined in the activities of the enzymes, studied to clarify whether applications of cold and carnitine stimulate involving lipids into respiration, lipase, carnitine acyl transferase (CAT I and CAT II) and citrate synthase (CS). The maximum values for these enzymes' activities were recorded in the plants to which cold and carnitine were applied together. With measuring the oxygen consumption, while it was remarkable increases were recorded in the rates of cytochrome pathway, the alternative respiratory pathway and the uncouplers in comparison to the control plants as well as total respiration rates in the cold and carnitine-treated plants separately, the highest values for these parameters were again determined in the plants to which carnitine together with cold applied. Cold and/or carnitine-induced these increases recorded at activities of enzymes involved in lipid and respiratory metabolisms were positively corelated with the decline in the total lipid content and increment in the contents of free and acyl-carnitine in the cells. In addition, it was determined that cold and/or carnitine applications had similar effects not only on the activities of enzymes involved in these pathways but also on gene (lipase, CS, cytochrome oxidase (COX) and alternative oxidase (AOX)) and protein expressions (AOX and COX). On the other hand, while the cold-induced inhibition in the enzyme activity and gene expression level of NADH-dependent glutamate dehydrogenase, one of the enzymes of nitrogen assimilation, associated with the Krebs cycle, was significantly alleviated by the application of carnitine, a significant increase in the activity and gene expression level of this enzyme was noted with the application of carnitine alone.In the current study, the relationship between carnitine and/or cold-induced activation determined in lipid and respiratory metabolism and the growth parameters and the degree of cold tolerance of maize plant was also investigated. While cold treatment caused to an increase in the contents of dry matter of maize seedlings, it inhibited significantly root and leaf lengths and leaf surface areas. Besides, while cold stress caused a significant increase in the levels of reactive oxygen species (ROS) like the superoxide anion and the hydrogen peroxide, it also led to elevation of the oxidative stress parameters like lipid peroxidation, electrolyte leakage and protein oxidation. Carnitine application significantly inhibited the cold-induced increases in both ROS content and oxidative stress parameters. Fatty acid analysis results demonstrated that while cold and carnitine applications decreased saturated fatty acid contents, it caused a marked increase in unsaturated fatty acid contents. The highest content of unsaturated fatty acid was recorded in the plants to which carnitine along with the cold were applied. In the light of these findings, it can be said that carnitine application contributed to the following: (1) plant growth and development under controlled-conditions; (2) plant cold tolerance along with continuity of growth under cold conditions due to activation energy and other respiratory-related pathways as a results of stimulation of the transport of the fatty acids into the mitochondria with their participation to the respiration based on carnitine-induced increased lipid catabolism.

Keywords: Carnitine, lipid metabolism, respiration, cold stress, maize