Salsoloideae alt-familyasındaki bazı türlerin aynı bireylerinde C3 kotiledondan C4 yaprağa geçişte anatomik, fizyolojik ve moleküler farklılıkların belirlenmesi
Determination of anatomical, physiological and molecular differences during the transition from C3 cotyledon to C4 leaves in the same individual plant of some species in salsoloideae subfamily
Yazar: FAİK CEYLAN
Danışman: DOÇ. DR. FERİT KOCAÇİNAR
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoloji = Biology ; Botanik = Botany ; Fizyoloji = Physiology

Özet:
C4 izyoluna sahip türler C3 türleriyle karşılaştırıldığında sahip oldukları anatomik, fizyolojik ve genetik adaptasyonlardan dolayı daha yüksek su, azot ve ışık kullanım etkinliğine sahiptirler. Tüm dünyadaki yaklaşık 250 bin bitki türünün takriben 8100'ü C4 türü olup bunlar taksonomik olarak az sayıda olmasına rağmen yıllık birincil verimliliğin %25'ini oluşturmaktadır. Bugün mevcut tarımsal faaliyetlerin büyük bir kısmı C3 türleriyle yapılmaktadır. Üç başlıca C4 ekini ise yıllık dünya tarımsal bütçesinin yaklaşık %15'ini oluşturmaktadır. Bu bağlamda, mevcut C3 ekinlerine C4 izyolunun biyomühendislik uygulamaları ile aktarılmasıyla 2050 yılında 9 milyara ulaşacağı tahmin edilen dünya nüfusunun gıda sorununu çözmenin mümkün olacağı öngörülmektedir.
Gıda sorununun çözümüne katkı sağlamak amacıyla bu çalışmada, Salsoloideae alt familyasında bulunan "C3 kotiledon C4 yaprak" olgusuna sahip olduğu ilk kez tarafımızdan tespit edilen türlerden Salsola grandis, S. turcica, S. stenoptera, Cyathobasis fruticulosa, Petrosimonia nigdeensis ve daha önceden bu olguya sahip olduğu bilenen Haloxylon aphyllum ve H. persicum ile kotiledon ve yapraklarında C4 izyoluna sahip S. komarovii ve S. ruthenica anatomi, Western Blot, qRT-PCR ve transkriptom sekans yöntemleriyle fotosentetik izyolu bakımından karşılaştırılmıştır.
"C3 kotiledon C4 yaprak" olgusuna sahip olduğu belirlenen türlerin kotiledonlarında dorsiventral veya izobilateral C3 anatomisi, çalışılan tüm C4 dokularında ise salsoloid tip C4 Kranz anatomisi tespit edilmiştir. Bu olguya sahip türlerden S. grandis, S. turcica, S. stenoptera, Cyathobasis fruticulosa, Petrosimonia nigdeensis'in kotiledonlarına göre yapraklarında artan miktarlarda PEPC, PPDK enzimi ve PPDK enzimine ait mRNA ifade seviyesi ve değişen miktarlarda Rubisco, GDC-P ve GOX enzimine ait mRNA ifade seviyesi tespit edilmiştir. Her iki dokusunda C4 izyolu bulunan S. ruthenica'nın kotiledonuna göre yaprağında değişmeyen miktarda PPDK ve GOX enzimine, değişen miktarlarda Rubisco ve GDC-P enzimine ait mRNA ifade seviyeleri tespit edilmiştir. S. ruthenica'nın kotiledonundan yaprağına geçerken PEPC ve PPDK enzim miktarında önemli bir değişim görülmemiştir. Transkriptom analizleri sonucunda H. aphyllum ve H. persicum'un kotiledonundan yaprağına geçerken C4 izyolu ile ilişkili olan ve bazı azot döngüsünde bulunan enzimleri kodlayan gen bölgelerinin ifade seviyelerinde artış, fotorespirasyon ile ilişkili olan enzimleri kodlayan gen bölgelerinin ifade seviyelerinde azalma tespit edilmiştir. S. komarovii'nin yapraklarıyla kotiledonları arasında bu izyolları ile ilişkili olan enzimleri kodlayan gen bölgelerinin ifade seviyelerinde önemli bir farklılık görülmemiştir.

Abstract:
Species with C4 pathway have higher water, nitrogen and radiation use efficiency than ones with C3 pathway due to anatomical, physiological and genetic adaptations. All around the world, ~8100 of ~250 thousands plant species are C4 and they constitute of 25% of primary productivity in a year. Today, great part of agricultural activity is maintained with C3 species. Three main C4 crops constitute about 15% of annual global agricultural budget. In this respect, a solution for food security crisis about by 2050 will be possible with the transition of C3 to C4 species by bioengineering applications.
In this study, we aimed to contribute to the solution of food security crisis. Salsola grandis, S. turcica, S. stenoptera, Cyathobasis fruticulosa, Petrosimonia nigdeensis, Haloxylon aphyllum and H. persicum from Salsoloideae subfamily which have "C3 cotyledons C4 leaves" phenomenon were compared for their photosynthetic pathway by anatomy, Western Blot, qRT-PCR and transcriptome sequencing. In this comparison, S. komarovii and S. ruthenica were used as species that have C4 pathway in both organs.
Dorsiventral or isobilateral C3 anatomy was determined in cotyledons of species that have "C3 cotyledon C4 leaves" phenomenon. Salsoloid type C4 Kranz anatomy was seen at C4 organ of all species. PEPC and PPDK enzymes and mRNA amount of PPDK were higher in leaves of S. grandis, S. turcica, S. stenoptera, Cyathobasis fruticulosa, Petrosimonia nigdeensis than cotyledons. In these species, Rubisco, GDC-P and GOX gene expression levels changed between cotyledons and leaves. In S. ruthenica leaves, transcripts encoding the PPDK and GOX enzymes are near the same and transcripts encoding the Rubisco and GDC-P enzymes are different compared to cotyledons. The amount of PEPC and PPDK enzymes in S. ruthenica were similar in leaves compared to cotyledons. In accordance with transcriptome analysis, leaves of H. aphyllum and H. persicum had higher amount of transcripts coding some enzymes related to C4 pathway and nitrogen shuttle compared to cotyledons. In leaves of these species, transcripts coding some enzymes related to photorespiration were lower compared to cotyledons. There was not any significant difference between transcripts encoding enzymes related to the C4 photosynthetic pathways in S. komarovii leaves and cotyledons.