Bor stresi altındaki arpa ve buğdayda silikon varlığının bitki fizyolojisi ile hücre zarı bor ve silikon taşıyıcıları üzerindeki etkisi
Effect of silicon on plant physiology, cell membrane boron and silicon transporters of barley and wheat under boron stress
Yazar: İBRAHİM ERTAN ERKAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. UFUK ÇELİKKOL AKÇAY
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarımsal Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Bor toksisitesi bitki yetiştiriciliğini sınırlayan önemli bir mineral beslenme problemi olup dünya genelinde kurak ve yarı kurak bölge topraklarında verim düşüşlerinin başta gelen nedenleri arasındadır. Bu çalışma bor stresinin, iki önemli tahıl bitkisi olan arpa ve buğdayda çeşitli anatomik özellikleri, antioksidatif sistem bileşenlerini ve belirli genlerin ifadelerini nasıl etkilediği ve silisyumun bor stresi altında nasıl bir etkisinin olduğunu belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir.
Arpa dokularında bor stresinin olumsuz etkileri çok şiddetli olmamakla beraber doku kuru ve yaş ağırlıkları ile bağıl su içerikleri üzerinde gözlenmiş, stres uygulaması doku uzunluklarını değiştirmemiştir. Silisyum uygulaması doku ağırlıkları üzerinde olumlu etki göstermemiş bununla beraber özellikle gövde bağıl su içeriklerinin artmasına neden olmuştur. Normal şartlarda gerçekleştirilen silisyum uygulamasının da özellikle kök uzunluklarını artırıcı etkisi belirlenmiştir. Bor stresinin başlıca gövde dokularında neden olduğu toksisite, incelenen üç stres göstergesi olan iyon sızıntısı, MDA ve H2O2 seviyeleri aracılığıyla belirgin biçimde gözlenmiştir. Yine gövde dokularında silisyumun stres düzeylerini azaltıcı etkileri de bir günlük stres altındaki dokularda iyon sızıntısı seviyesi dışında belirgin biçimde gözlenmiştir. Köklerde bor stresi gövde dokularına kıyasla daha düşük seviyede seyretmiş ancak bu dokularda da silisyum uygulaması normal koşullarda yetişen bitkilerle kıyaslandığında stres seviyelerinin azalmasına neden olmuştur.
Elemental silisyum analizi arpa dokularında silisyum varlığında silisyum alımının arttığını ve bor stresi altında özellikle kök dokularında bu alımın daha da yükseldiğini göstermiştir. Hem silisyum hem de bor stresinin bir arada uygulandığı durumlarda kök dokularında bor taşıyıcı BT2 gen ifadesinin, silisyum taşıyıcı Lsi1 ifadesinin ve hem bor hem silisyum taşıma kapasitesindeki aquaporin grubu pompalardan PIP ifadesinin özellikle bir günlük uygulamalar altında arttığı gözlenmiştir. Kök dokularında bor stresi altında silisyum taşınımının artması, silisyumun bor taşıyıcıları ile doku içine alımında bor ile rekabete girdiği, dolayısıyla bor taşınımını yavaşlattığını düşündürmektedir. Bu veriler bor stresi altında silisyum uygulanan bitkilerin stres semptomları göstermemelerini de açıklamaktadır. Benzer şekilde bir günlük bor stresi altında silisyum uygulaması yapılan gövdelerde de silisyum BT2, PIP ve aquaporin FL gen ifadelerini artırmış, bu dokularda silisyum varlığı hem iyon sızıntısı hem de H2O2 miktarının azalmasını sağlamıştır.

Buğday dokularında da arpaya benzer biçimde bor stresinin çok şiddetli olmayan olumsuz etkileri incelenen anatomik özellikler için gözlenmiş, silisyumun gövde dokularında koruyucu etkileri gözlenmekle beraber kök dokularında bu etkiye rastlanmamıştır. İyon sızıntısı, MDA ve H2O2 miktarları incelendiğinde de buğdayda bor stresinin arpa dokularına kıyasla daha az şiddette gerçekleştiği belirlenmiş, bor stresinin arttırdığı iyon sızıntısı seviyeleri silisyum varlığında daha düşük seviyelere çekilmiştir. Bor stresinden önemli derecede etkilenmeyen MDA miktarları da silisyum varlığında ve hem silisyum hem de borun birarada uygulandığı durumlarda kontrol dokulara kıyasla daha düşük seviyelere gerilemiştir.
Bor taşıyıcı pompa buğdayda yalnızca üç günlük silisyum uygulaması altında gövde dokularında aktivite göstermiş, bor ve silisyumun bir aradaki varlığı aktiviteyi artırmış, ancak bor varlığında aktivite daha yüksek seviyede seyretmiştir. İncelenen genlerden AQP8 buğday dokularında silisyum alımında işlev göstermiş, PIP geni ise özellikle üç günlük stres uygulamasında önemli düzeyde aktivite göstermiştir. Silisyum taşıyıcı protein kodlayan Lsi1 gen ifadesi ise yalnızca silisyum ve borun bir arada uygulandığı durumda ve sadece bir günlük uygulama altında gözlenmiştir. Gen ifade analizleri bir günlük stres uygulamaları altında dokulara silisyum alımının incelenen genlerden Lsi1 ve BT2 aracılığıyla gerçekleştiğini ve arpadan farklı olarak bor taşıyıcı proteininin bu süreçte hiçbir işlevinin bulunmadığını göstermiştir. İlerleyen stres sürelerinde ise gövde dokularında silisyum birikiminin Lsi1, kök dokularında birikimin ise PIP proteini aracılığıyla yapılabileceği, silisyum ve borun bir arada uygulandığı durumlarda ise BT2 ifadesinin bor taşımaya öncelik vererek gövde dokusu silisyum miktarının azalmasına neden olabileceği belirlenmiştir. Kök dokularında da PIP proteini aracılığıyla bor taşınımının hızlanması nedeniyle silisyum alımının yavaşladığı elemental analiz verilerine paralel olarak belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Arpa, Buğday, Bor, Silisyum, Oksidatif Stres
2014, 60 sayfa

Abstract:
Boron toxicity is an important mineral nourishment problem limiting plant productivity and it is among the major reasons of yield loss especially in arid and semi-arid parts of the world. This study was performed with the aim of investigating the effects of boron stress and the presence of silicon on anatomical properties, antioxidative system components and certain gene activities in two important cereal plants wheat and barley.
Although not very severe, negative effects of boron stress on barley tissues were observed on tissue wet and dry weights and also on relative water contents while stress application did not changed tissue lenghts. Although no positive effect of silicon was observed on tissue weights, the application improved especially shoot relative water contents. Silicon application in normal conditions increased root lenghts. Bor toxicity in shoot tissues was mainly observed by way of three different stress indicators namely ion leakage, MDA and H2O2 levels. Stress alleviating effects of silicon in shoot tissues were observed prominently except ion leakage levels under one day stress application. Boron toxicity levels in root tissues were lower when compared to shoots, nonetheless silicon application reduced stress levels when compared to plants grown under normal conditions.
Elemental silicon analysis showed that silicon influx incerease in barley tissues in the presence of silicon and it increases more especially in root tissues when boron is present in addition to silicon. In case of both silicon and boron application, it was observed that boron transporter BT2 expression, silicon transporter Lsi1 expression and aquaporin family potential boron and silicon transporter PIP expression were increased in root tissues especially under one day long applications. Increase of silicon influx in root tissues under boron stress might be resulted from the presence of antagonism between silicon and boron for boron transporter proteins and this situation decrease boron transport. These data also explains lack of stress symptoms in silicon applied plants under bor stress. Similarly, silicon increased BT2, PIP and aquaporin FL gene expressions in shoot tissues under one day long boron stress in the presence of silicon application and also tissue levels of ion leakage and H2O2 decreased.

Similar to barley, in wheat tissues nonsevere negative effects of boron were observed for anatomical properties, stress alleviating effects of silicon were observed in shoot tissues but not in root tissues. Ion leakage, MDA and H2O2 levels also showed that boron toxicity symptoms were observed with less intensity in wheat when compared to barley tissues however silicon showed its positive effects by decreasing ion leakage levels increased by boron application. MDA levels which remained unaffected under boron stress were drawn back to lesser levels in the presence of boron and silicon.
Boron transporter showed activity only in wheat shoots. Three days long boron and silicon application increased the activity however presence of boron alone increased the activity more. One of the investigated genes AQP8 showed function in silicon influx and PIP gene expression increased sharply in three days long stress application. Silicon transporter protein encoding gene Lsi1 expression was observed only under one day long silicon and boron application. Gene expression analyses showed that tissue silicon intakes were only achieved by the expression of Lsi1 and BT2 genes under one day long stress application and also bor transporter does not play any role in the process, which is different from the role of the gene in barley. Under prolonged stess conditions shoot silicon accumulation was performed by Lsi1 and root accumulation by PIP protein and in the presence of both boron and silicon BT2 gene preferred boron transfer and resulted in a decrease in tissue silicon levels. Also in root tissues boron influx was increased through PIP protein and therefore resulted in a decrease in silicon uptake which was also supperted by elemental analysis data.

Key words : Barley, Wheat, Boron, Silicon, Oxidative Stress
2014, 60 pages