Mısır (Zea mays L.) fidelerinde tiyoüre teşvikli kadmiyum toleransının biyokimyasal ve proteomik analizi
Biochemical and proteomic analysis of thioürea-induced cadmium tolerance in maize (Zea mays L.) seedlings
Yazar: NURGÜL SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA YILDIZ ; DOÇ. DR. HAKAN TERZİ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Toprağın kadmiyum (Cd) ile kirlenmesi, bitkilere olan yüksek toksisitesi nedeniyle dünya genelinde önemli bir çevresel sorundur. Hareketliliğinin kolay olması nedeniyle Cd bitkiler tarafından kolaylıkla alınmakta ve tarım ürünlerinin verimini olumsuz etkilemektedir. Tiyoüre (TÜ), kükürt içeren bir bitki büyüme düzenleyicisidir ve bir dizi gelişimsel, fizyolojik ve biyokimyasal değişimde rol oynamaktadır. TÜ uygulamasının, stresli koşullar altında bitkilerin büyümesini ve toleransını artırdığı bilinmesine rağmen, TÜ'nün mısır (Zea mays L.) fidelerinde Cd toleransı üzerindeki moleküler düzenleyici mekanizmaları hala net değildir. Bu nedenle, bu araştırma Cd stresi altındaki mısır fidelerinde TÜ uygulamasının iyileştirici etkisini fizyolojik ve proteomik analizlerle değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, hidroponik kültürde yetiştirilen beş günlük mısır fideleri, besin çözeltisine ilave edilen TÜ ve CdCl2'ün farklı uygulamalarına maruz bırakılmıştır: Kontrol (sadece besin çözeltisi), TÜ (35 μM), Cd (50 μM) ve TÜ+Cd (35 μM TÜ ve 50 μM Cd). Sonuçlar, Cd stresinin fide büyümesi ve klorofil içeriğini azalttığı, Cd stresi koşulları altında TÜ uygulamasının ise büyümeyi ve fotosentetik pigmentleri artırdığını ortaya koymuştur. Cd'a göre TÜ+Cd uygulaması mısır fidelerinin kökleri ve yapraklarında Cd birikimini azaltmıştır. Ek olarak, Cd stresi yaprak dokularındaki malondialdehit (MDA) içeriğini artırmıştır. Buna karşın, TÜ+Cd uygulamasının muhtemelen antioksidan enzimlerin aktivitelerini düzenleyerek MDA üretimini azalttığı belirlenmiştir. Katalaz (CAT) aktivitesindeki Cd teşvikli inhibisyon, TÜ+Cd uygulaması ile azalmıştır. Ayrıca TÜ+Cd uygulaması askorbat peroksidaz (APX) aktivitesinde ilave artışa neden olurken, guaiakol peroksidaz (POD) aktivitesinde azalmaya neden olmuştur. Kontrole göre Cd ve/veya TÜ+Cd uygulamalarına maruz bırakılan yapraklarda 1573 diferansiyal olarak ifade edilen protein (DEP) yüksek verimli proteom analizi (nLC˗MS/MS) ile tanımlanmıştır. Bu DEP'ler arasında, 1237 protein artan yönde düzenlenirken, 336 protein azalan yönde düzenlenmiştir. Gen ontolojisi (GO) ve Kyoto Genler ve Genomlar Ansiklopedisi (KEGG) yolaklarının analizi ile tanımlanan DEP'lerin sitrat döngüsü (TCA döngüsü), fotosentez, glutatyon metabolizması, sistein ve metiyonin metabolizması, pirüvat metabolizması, glikoliz/glukoneogenez, metabolik yolaklar ve sekonder metabolitlerin biyosentezinde fonksiyon gördüğü saptanmıştır. Sonuç olarak, mısır fidelerinde proteomik analizlerle tespit edilen DEP'lerin TÜ teşvikli Cd toleransında önemli rolleri olduğu ileri sürülebilir.

Abstract:
The pollution of soil with cadmium (Cd) is an important environmental problem worldwide because of its high toxicity to plants. Due to its ease of mobility, Cd is readily taken up by plants and negatively affect crop yield. Thiourea (TU) is a sulfur containing plant growth regulator and it is involved in a series of developmental, physiological, and biochemical changes. Although exogenous TU application has been found to enhance the growth and tolerance of plants under stressful conditions, the molecular regulatory mechanisms of TU on Cd tolerance in maize (Zea mays L.) seedlings remain unclear. Therefore, the current research was performed to evaluate the ameliorative effect of TU application by physiological and proteomic analyses in maize seedlings under Cd stress. For this purpose, five-day-old maize seedlings grown in hydroponic culture were exposed to different treatments of TU and CdCl2 added to the nutrient solution: control (only nutrient solution), TU (35 μM), Cd (50 μM), and TU+Cd (35 μM TU and 50 μM Cd). The results revealed that Cd stress decreased seedling growth and chlorophyll content, while TU application under Cd stress conditions increased growth and photosynthetic pigments. Compared to Cd, TU+Cd application reduced Cd accumulation in roots and leaves of maize seedlings. On the other hand, it was determined that TU+Cd application reduced MDA production, probably by regulating the activities of antioxidant enzymes. Cd-induced inhibition of catalase (CAT) activity was reduced by TU+Cd application. In addition, TU+Cd application caused an additional increase in ascorbate peroxidase (APX) activity, while it caused a decrease in guaiacol peroxidase (POD) activity. 1573 differentially expressed proteins (DEPs) were identified in leaves exposed to Cd and/or TU+Cd treatments compared to control by high-throughput proteome analysis (nLC˗MS/MS). Among these DEPs, 1237 proteins were up−regulated while 336 proteins were down−regulated. Gene ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathways analysis revealed that most of the DEPs were involved in citrate cycle (TCA cycle), photosynthesis, glutathione metabolism, cysteine and methionine metabolism, pyruvate metabolism, glycolysis/gluconeogenesis, metabolic pathways, and biosynthesis of secondary metabolites. In conclusion, it can be suggested that DEPs detected by proteomic analyses in maize seedlings have important roles in TU-induced Cd tolerance.