Arabidopsis'te tuz stresi hafızası ile ilişkili epigenetikmekanizmalar
Epigenetic mechanisms related to salt stress memory inArabidopsis
Yazar: BURCU ARIKAN
Danışman: PROF. DR. NESLİHAN TURGUT KARA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoloji ve Genetik  Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Botanik = Botany
Dizin: Moleküler biyoloji = Molecular biology ; Tuz stresi = Salt stress

Özet:
Bitkilerde stres hafızası ile ilişkili çalışmalar son yıllarda oldukça artmaya başlamıştır. Herhangi bir çevresel stres faktörüne maruz kalan bitkilerin, bu durum tekrarlandığı zaman bunu hatırlayabildikleri, hatta bazı durumlarda bir sonraki nesile aktarabildikleri gösterilmiştir. Stres faktörlerinin daha kısa süreli ve düşük konsantrasyonlu uygulaması olarak tanımlanabilen priming uygulamasının da bitkilerde stres hafızası oluşumunu etkilediği bildirilmiştir. Priming uygulamasının strese daha hızlı ve güçlü bir cevap oluşumunu tetikleyerek bitkinin hayatta kalma şansını arttırdığı gösterilmiştir. Ancak, priming uygulamasının hangi moleküler yolakları etkilediği tam olarak aydınlatılamamıştır. Günümüzde hızla artan tuzluluk ve buna bağlı tarım arazisi kayıplarının artmasıyla strese dayanıklı bitkilerin geliştirilmesi, ilerleyen yıllarda tarımının sürdürülebilirliği ve gıda güvenliği için büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda yapılacak çalışmalar ile priming, stres hafızası ve bitkilerin strese adaptasyon mekanizmalarının aydınlatılması önemlidir.

Yapılan tez çalışması ile Arabidopsis bitkilerine priming ve tuz stresi uygulaması yapılmıştır. 50 mM NaCl içeren besiyerinde 24 saat inkübe edilerek priming uygulaması yapılan Arabidopsis bitkilerinde morfolojik ve fizyolojik olarak bir değişim gözlemlenmemiştir. Daha sonra hafıza oluşumu ve iyileşme için 10 gün MS besiyerinde tutulan bitkilerden örnek alınarak aynı analizler tekrar edilmiştir. Yapılan tüm morfolojik ve fizyolojik analizler sonucunda sadece klorofil miktarında priming uygulaması yapılmış bitki grubunda anlamlı bir değişim görülmüştür. Tuz stresi uygulamasından sonra ise priming uygulaması yapılmış bitkilerin yapılmamış gruba kıyasla tuz stresinden çok daha az etkilendiği gözlemlenmiştir. Priming uygulaması bitkilerin stresten etkilenmesini önemli ölçüde azaltmıştır.
Epigenetik mekanizmaların, stres cevabı ve hafıza oluşumunda yer aldığı yapılan çalışmalar ile gösterilmiştir. Özellikle histonlarda meydana gelen modifikasyonlar, stres cevabı genlerinin anlatımını etkilemekte ve stres toleransının düzenlenmesinde rol oynamaktadır. Bu modifikasyonlara ek olarak yapılan transkriptomik çalışmalar ile hangi metabolik yolakların aktive olduğu, hangi yolakların kapandığı analiz edilebilmekte ve gen anlatım profilleri ortaya konabilmektedir. Bu bağlamda, priming ve tuz stresi uygulamasından sonra RNA dizileme ve ChIP analizleri yapılarak stres cevabı ve hafıza üzerinde etkili epigenetik mekanizmalar ile ilişkili genler araştırılmıştır. RNA dizileme analizleri sonucunda her aşamada alınan örnek grupları birbiri ile karşılaştırılarak priming uygulaması ve stres sonucunda diğer gruplara göre öne çıkan metabolik yolaklar belirlenmiştir. Bu analizlerin sonuçlarına göre, alfa-linolenik asit metabolizması, diterpenoid biyogenezi ve bitki hormon sinyal iletimi yolakları stres cevabı ve priming uygulaması sonrasında en çok değişime uğrayan yolaklar olarak belirlenmiştir. Bu yolaklarda görevli ve anlatımlarının değiştiği belirlenen OPR3, AOC1, LOX3, MYC2,  ERF2 ve IAA29 genleri ile ChIP GZ-PZR analizleri gerçekleştirilerek bu genlerdeki H3K27me3 ve H3K4me histon işaretlerindeki değişimler belirlenmiştir. Elde edilen sonuçların, stres hafızası üzerinde epigenetik mekanizmalarda yer alan genlerin belirlenmesinde aday genler ortaya koyarak ilerleyen çalışmalara öncülük edeceği ve moleküler mekanizmaların aydınlatılmasına yarar sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Researches about the stress memory in plants have started to increase significantly in recent years. It has been shown that plants exposed to any environmental stress factor can remember when this situation is repeated, and in some cases even transfer it to the next generation. It has been reported that priming, which can be defined as the short-term and low-concentration application of stress factors, also affects the formation of stress memory in plants. Priming has been shown to increase the chance of survival of the plant by triggering a faster and stronger response to stress. However, the molecular pathways that priming affects has not been fully elucidated. With the rapidly increasing salinity and related agricultural land losses, the development of stress-resistant plants is of great importance for the sustainability of agriculture and food security in the coming years. In this context, it is important to elucidate the molecular mechanisms of priming, stress memory and stress adaptation of plants.
With this thesis study, priming and salt stress treatment was made to Arabidopsis plants. No morphological or physiological changes were observed in Arabidopsis plants, which were primed for 24 hours in a medium containing 50 mM NaCl. Then, the same analyzes were repeated by taking samples from plants kept in MS medium for 10 days for memory formation and recovery. As a result of all morphological and physiological analyzes, a significant change was observed only in the amount of chlorophyll in the primed plant group. After the salt stress treatment, it was observed that the primed plants were much less affected by the salt stress compared to the untreated group. Priming application significantly reduced the effects of stress on plants.
Studies have shown that epigenetic mechanisms are involved in stress response and memory formation. In particular, modifications in histones affect the expression of stress response genes and play a role in the regulation of stress tolerance. In addition to these modifications, transcriptomic studies can analyze which metabolic pathways are activated and which pathways are closed, and gene expression profiles can be revealed. In this context, genes associated with epigenetic mechanisms effective on stress response and memory were investigated by RNA sequencing and ChIP analyzes after priming and salt stress application. As a result of RNA sequencing analysis, the sample groups taken at each stage were compared with each other and the metabolic pathways that were prominent compared to other groups as a result of priming and stress were determined. According to the results of these analyzes, alpha-linolenic acid metabolism, diterpenoid biogenesis and plant hormone signal transduction pathways were determined as the pathways that underwent the most changes after stress response and priming application. ChIP-qPCR analyzes were performed with OPR3, AOC1, LOX3, MYC2, ERF2 and IAA29 genes involved in these pathways and whose expressions were determined to have changed, and changes in H3K27me3 and H3K4me histone marks in these genes were determined. It is thought that the results obtained will lead further studies by revealing candidate genes in the determination of genes involved in epigenetic mechanisms on stress memory and will benefit the elucidation of molecular mechanisms.