Ayçiçeği (Helianthus annuus L.) genotiplerinde kuraklığa dayanıklılığın fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler düzeyde incelenmesi
Investigation of drought tolerance at physiological, biochemical and molecular levels in sunflower (Helianthus annuus L.) genotypes
Yazar: AYŞE SUNA BALKAN NALÇAİYİ
Danışman: PROF. DR. YASEMİN EKMEKÇİ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyoloji = Biology
Dizin: Ayçiçeği = Sunflower ; Kuraklık = Drought ; Proteomikler = Proteomics

Özet:
Bu çalışmada, ülkemizde yetiştirilen tescilli ayçiçeği çeşitleri ile atasal melezler ve
kuraklığa toleranslı olduğu bilinen atasal Helianthus agrophyllus'un kuraklık ve
iyileşme süreçlerinde oluşturdukları yanıtların morfolojik, fizyolojik, biyokimyasal ve
moleküler (proteom) düzeyde incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın I.
aşamasında ayçiçeği çeşitleri iki farklı şiddette (orta şiddetli-7 gün / şiddetli-9 gün)
kuraklık ve sonrasında iyileşme (sulama- 5 gün) uygulamalarına maruz bırakılmıştır.
Bu aşamada, çeşitlerin fotosentetik aktiviteleri (klorofil a fluoresans ölçümleri),
membran hasarları (iyon sızıntısı), fotosentetik pigment ve su içerikleri ölçülmüştür.
Fotosentetik performans indekslerinden, kuraklık ve iyileşme faktör indeksleri ile
fizyolojik ve biyokimyasal ölçümlerden hasar indeksi ve iyileşme potansiyelleri
hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar doğrultusunda çeşitler; kuraklığa toleranslı (Şems,
Sirena, Tarsan-1018), orta derecede toleranslı (Duna, Hornet, Tunca) ve duyarlı
(Bosfora, Coral, Kaan) olmak üzere 3 tolerans düzeyinde sınıflandırılmıştır.
Çalışmanın II. aşamasında, seçilen çeşitler ile birlikte ayçiçeğinin atasal melezleri
(Helianthus annuus x Helianthus agrophyllus ve Helianthus annuus x Helianthus
deserticola) 9 gün kuraklık stresine ve devamında 5 gün iyileşme sürecine maruz
bırakılarak genotiplerin kuraklığa oluşturduğu cevaplar bazı morfolojik, fotosentetik,
fizyolojik ve biyokimyasal parametreler ile ortaya konulmuştur. Elde edilen
verilerinden hasar indeks değerleri ve iyileşme potansiyelleri hesaplanarak
genotipler kuraklık toleranslarına göre karakterize edilmiştir. Kuraklık koşullarında
su içeriğini azalmasına bağlı olarak, tüm genotiplerde fenotipik karakterlerde (bitki
boyu, yaprak sayısı ve taze/kuru ağırlık) değişimler saptanmıştır. Bununla birlikte,
toleranslı genotipler duyarlı genotiplere göre; fotosentetik aktivitelerini ve pigment
içeriklerini (klorofil/karotenoid) koruyup (eksitasyon enerjisini daha iyi yakalayıp
etkin bir şekilde kullanabildiği), savunma kapasitesini [flavonoid, antosiyanin, glisin
betain, süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX), glutatyon redüktaz
(GR), peroksidaz (POD) ve aldoz redüktaz (ALR)] arttırarak, stresle oluşan
membran hasarı (MDA) ile H2O2 düzeyini düşük tutabilmiş ve strese dayanım
sağlayabilmişlerdir.
Çalışmanın III. aşamasında toleranslı (Tarsan-1018) ve duyarlı (Tunca) olarak
karakterize edilen çeşitler ile atasal Helianthus agrophyllus'un protein profillerindeki
değişimler proteomik analizler ile ortaya konulmuştur. MALDI-TOF/TOF MS/MS
kütle spektrometresi ve MASCOT veri tabanı kullanılarak genotiplerde 63 adet
protein tanımlanmış ve STRING veri tabanı ile protein-protein etkileşim örüntüleri
oluşturulmuştur. Tanımlanan proteinlerin; fotosentez ve karbohidrat, enerji ve
solunum, savunma, arjinin, nükleotid, yağ asidi ve glikolipid, protein ve sinyal
metabolizması ile hücre çeper biyogenezinde görev alan proteinler olduğu
belirlenmiştir. Duyarlı çeşitte, metabolizmalarda tanımlanan proteinlerin farklı yönde
değişmesi ve kuraklıkla birlikte nükleotid ve protein metabolizmaları ile sinyal
iletiminde yer alan protein ifadelerindeki azalmalar, Tunca'yı diğer genotiplere göre
daha az başarılı kılmıştır. Toleranslı genotipler ise fotosentez ve karbon
metabolizmaları ile birlikte enerji ve solunum ile yağ asiti ve glikolipid
metabolizmalarındaki protein ifadelerini benzer yönde düzenleyerek ve sinyal iletim
yolağında yer alan 14-3-3 benzeri protein ifadesini artırarak kuraklık koşullarına
dayanımda daha iyi performans sergiledikleri belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, it was aimed to investigate the responses of registered sunflower
cultivars grown in our country with their wild hybrids and wild Helianthus agrophyllus,
identified to be drought tolerant, at morphological, physiological, biochemical and
molecular (proteomic) levels during drought and recovery. In the first stage,
sunflower cultivars were exposed to two different drought treatments (moderate -7
days / severe-9 days) and then recovery (irrigation-5 days). In this stage,
photosynthetic activities (chlorophyll a fluorescence measurements), membrane
damage (ion leakage), photosynthetic pigment and water contents of the cultivars
were measured. Drought-recovery factor indexes and damage-recovery potential
indexes were calculated from photosynthetic performance indexes, and
physiological and biochemical measurements, respectively. These calculations
allowed classification of the genotypes to three tolerance levels: drought-tolerant
(Şems, Sirena, Tarsan-1018), moderately tolerant (Duna, Hornet, Tunca) and
sensitive (Bosfora, Coral, Kaan). In the second stage of the study, the drought
responses of selected cultivars with the wild hybrids of the sunflower (Helianthus
annuus x Helianthus agrophyllus and Helianthus annuus x Helianthus deserticola)
subjected to drought stress for 9 days and then 5-days recovery were proved by
using the morphological, photosynthetic, physiological and biochemical parameters.
Genotypes were characterized according to their drought tolerances by calculating
damage indexes and recovery potentials from the obtained data. The changes in
phenotypic characters (plant height, number of leaves and fresh / dry weight) were
determined in all genotypes due to the reduced water content under drought
conditions. However, tolerant genotypes compared to sensitive genotypes, were
able to conserve photosynthetic activities (absorption/trapping of excitation energy
and utilize efficiently), pigment contents (chlorophyll/carotenoid) and enhance
defense capacity [flavonoids, anthocyanins, glycine betaine, superoxide dismutase
(SOD), ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR), peroxidase (POD)
and aldose reductase (ALR)], thereby the level of H2O2 and stress-induced
membrane damage (MDA) were kept low and were able to provide tolerance to
stress.
In the third stage, the alterations in the protein profiles of tolerant (Tarsan-1018) and
sensitive (Tunca) cultivars and wild Helianthus agrophyllus were proved by
proteomic analysis. 63 proteins were identified in genotypes with MALDI-TOF / TOF
MS / MS mass spectrometry and MASCOT database, and the protein-protein
interaction patterns were performed with STRING database. It has been determined
that the identified proteins are involved in photosynthesis and carbohydrate, energy
and respiration, defense, arginine, nucleotide, fatty acid and glycolipid, protein and
signal metabolism and cell wall biogenesis. Different expression of proteins in
metabolisms and the reductions in nucleotide and protein metabolisms, as well as
protein involved in signal transduction of sensitive cultivar, made Tunca less
successful in stress resistance compared to other genotypes. Tolerant genotypes
were found to exhibit better performance in terms of photosynthesis and carbon
metabolism, as well as protein expression in energy and respiration and fatty acid
and glycolipid metabolisms in the same way, and increased the expression of 14-3-
3 like protein in signal transduction pathway increased resistance to drought
conditions.