Bakır oksit nanopestisitine maruz kalan mısır (Zea mays L.) fidelerine uygulanan tavuk tüyü protein hidrolizatının azot metabolizması, antioksidan sistem ve ASA-GSH döngüsü üzerine etkilerinin fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler analizlerle belirlenmesi
Determination of the effects of chicken feather protein hydrolyzate applied to maize (Zea mays L.) seedlings exposed to copper oxide nanopesticide  on nitrogen metabolism, antioxidant system and ASA-GSH cycle by physiological, biochemical and molecular analysis
Yazar: AYKUT KARAMAN
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN AKSAKAL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Amaç: Bakır içeren nanopestisitler (Cu(OH)2 NP), bitki koruma ürünlerinin etkinliğini artırmak için modern tarımda fungisitler olarak popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, bu nanopestisitlerin kültür bitkileri üzerindeki etkileri ve toksisitesi tam olarak bilinmemektedir. Tavuk tüyü protein hidrolizatları (TTH), yüksek azot, protein ve amino asit içerikleriyle tanınmaktadır. Bu çalışmada, mısır fidelerinde Cu(OH)2 NP stresinin neden olduğu oksidatif hasarın azaltılmasında fidelere eksojen olarak uygulanan TTH'ın potansiyelinin araştırması amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışmada model bitki olarak mısır kullanılmıştır. Hidroponik olarak yetiştirilen mısır fidelerinin yapraklarına, 500 mg/L Cu(OH)2 NP ve 500 mg/L TTH püskürtüldükten sonra fidelerde kök ve gövde uzunluğu, klorofil, protein, prolin ve toplam fenolik madde miktarlarının yanı sıra malondialdehit (MDA), hidrojen peroksit (H2O2) ve süperoksit (O2•-) seviyeleri ölçülmüştür. Ayrıca askorbat-glutatyon (ASA-GSH) döngüsünde yer alan enzimatik ve enzimatik olmayan antioksidanların aktiviteleri ve miktarları analiz edilmiştir. Yine, antioksidan enzimlerin aktivitelerindeki değişiklikler ve azot metabolizması ile ilişkili enzimlerin aktivitelerinin yanı sıra antioksidan sistem, ASA-GSH döngüsü ve azot metabolizması ile ilişkili genlerin ekspresyonlarındaki değişiklikler RT-PCR kullanılarak belirlenmiştir.
Bulgular: Çalışmada Cu(OH)2 NP stresinin aşırı ROS üretimine yol açtığı, bitki büyümesini engellediği ve doğal savunma sistemine zarar verdiği gözlenmiştir. Bununla birlikte, Cu(OH)2 NP stresi altındaki fidelere TTH uygulamasının lipid peroksidasyonunun yanı sıra O2•- ve H2O2 birikimini azaltarak stresin etkilerini hafiflettiği görülmüştür. TTH'ın bunu hem enzimatik hem de enzimatik olmayan antioksidan aktivitelerini artırarak, gen ekspresyonunu düzenleyerek ve ASA-GSH döngüsünü modüle ederek başardığı tespit edilmiştir. Ayrıca, mısır fidelerinin kök ve gövdesindeki Cu konsantrasyonunun, Cu(OH)2 NP uygulaması ile önemli ölçüde arttığı kaydedilmiştir. Cu(OH)2 NP stresi altında, eksojen TTH uygulamasının, ilgili genlerinin ekspresyonu ile birlikte nitrat redüktaz, nitrit redüktaz, glutamin sentaz, glutamat sentaz ve glutamat dehidrogenaz enzimlerinin aktivitelerini artırdığı belirlenmiştir. 
Sonuç: Bu çalışma, Cu(OH)2 NP stresinin kültür bitkilerinde olumsuz koşulları tetiklediğini, bitki büyümesini engellediğini ve Cu içeriğini ve oksidatif stres belirteçlerini artırdığını ortaya koymuştur. Öte yandan, TTH uygulamasının, önemli antioksidan moleküllerin konsantrasyonlarını artırarak ve oksidatif savunma sistemi enzimlerini aktive ederek bu olumsuz etkileri hafiflettiği gözlenmiştir. Yine, TTH'ın bitkilerde azot metabolizmasını olumlu yönde etkilediği tespit edilmiştir. Bu bulgular, TTH'ın Cu(OH)2 NP'nin zararlı etkilerine karşı koymak için umut verici bir madde olarak kullanılabileceğini ve böylece tarımda bitki sağlığını ve üretkenliğini artırabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Purpose: Copper-based nanopesticides (Cu(OH)2 NP) have gained popularity as fungicides in modern agriculture. However, there is limited research on the behavior, movement, and toxicity of these nanopesticides in crop plants. Chicken Feather Protein hydrolysates (CFPH) are known for their high nitrogen, protein, and amino acid content. This study aimed to investigate the potential of CFPH in mitigating oxidative damage induced by Cu(OH)2 NP stress in maize seedlings.
Method: In this study, maize was selected as the model plant. Hydroponically grown maize seedlings were subjected to leaf spraying of 500 mg/L Cu(OH)2 NP and 500 mg/L CFPH. The effects on root and stem length, chlorophyll content, protein content, proline content, total phenolic content, as well as levels of malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H2O2), and superoxide (O2•-) were evaluated. Additionally, the activities of enzymatic and non-enzymatic antioxidants involved in the ascorbate-glutathione (ASA-GSH) cycle were analyzed. Changes in the activities of antioxidant enzymes, enzymes related to nitrogen metabolism, and the transcription of genes associated with the antioxidant system, nitrogen metabolism, and ASA-GSH cycle were determined using RT-PCR.
Findings: Cu(OH)2 NP stress led to excessive ROS production, hindered plant growth, and damaged the natural defense system. However, the application of CFPH mitigated these effects by reducing O2•- and H2O2 accumulation, as well as lipid peroxidation. CFPH achieved this by enhancing both enzymatic and non-enzymatic antioxidant activities, regulating gene expression, and modulating the ascorbate-glutathione cycle. Furthermore, Cu concentration in the root and stem of maize seedlings increased significantly with Cu(OH)2 NP treatment. Under Cu(OH)2 NP stress, exogenous CFPH administration improved the activities of nitrate reductase, nitrite reductase, glutamine synthase, glutamate synthase, and glutamate dehydrogenase enzymes, along with the expression of their related genes.
Results:  The study revealed that Cu(OH)2 NP stress induces adverse conditions, impeding plant growth and increasing Cu content and oxidative stress markers. However, the application of CFPH alleviated these negative effects by boosting the concentrations of crucial antioxidant molecules and activating oxidative defense system enzymes. Moreover, CFPH positively influenced nitrogen metabolism in plants. These findings suggest that CFPH could serve as a promising supplement to counteract the harmful impacts of Cu(OH)2 NP, thereby enhancing plant health and productivity in agricultural settings.