Biberde melatoninin kuraklık stresi ve glioksalaz mekanizması üzerine etkileri
Melatonin effects on drought stress and glyoxalase mechanism in pepper
Yazar: ŞEBNEM KÖKLÜ ARDIÇ
Danışman: PROF. DR. AHMET KORKMAZ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı / Sebze Yetiştirme ve Islahı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Glioksalaz sistemi = Glyoxalase system ; Kuraklık stresi = Drought stress ; Melatonin = Melatonin ; Organik tarım = Organic farming ; Yeşil biber = Green pepper

Özet:
Kültür bitkilerinde klasik ıslah yöntemlerinin yanında moleküler işaretleyiciler yardımıyla abiyotik ve biyotik stres faktörlerine dayanıklı/tolerant hatların ya da çeşitlerin geliştirilmesi çok yaygınlaşmıştır. Verimli, kaliteli ya da özellikle stres faktörlerine tolerant hatların geliştirilmesinde bitkilerin spesifik fizyolojik özelliklerine dayanarak yapılan ıslah çalışmaları da son yıllarda sıkça kullanılan bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Bitkisel bir hormon olarak kabul edilen melatoninin serbest radikalleri doğrudan temizlediği ve buna ek olarak enzimatik veya enzimatik olmayan antioksidanları uyararak reaktif ara maddelerin detoksifikasyonunda da dolaylı olarak görev aldığı bilinmektedir.
İki bölümde yazılmış bu tez çalışmasının birinci bölümünde on iki gün süre ile kuraklık stresine maruz bırakılan 60 adet sivri biber (Capsicum annuum L.) genotipi kullanılarak içsel melatonin içeriği ile kuraklık stresi arasında olası bir ilişkinin varlığı araştırılmıştır. Bu ilişkinin ortaya konmasını takiben genotipler arasında kurağa tolerant ya da hassas genotiplerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda biber genotiplerinin yapraklarında belirlenen stres öncesi melatonin içeriğinin 4,9 ng g-1 TA ile 73,9 ng g-1 arasında değiştiği ve içsel melatonin içeriği düşük olan genotiplerin stresten çok daha fazla etkilendikleri belirlenmiştir. Kuraklık stresine maruz bırakılan biber fidelerinde stresle birlikte hücre membranlarında meydana gelen oksidatif zararlanmaların hassas genotiplerde daha şiddetli olduğu görülmüş buna karşılık kurağa tolerant fidelerde yüksek içsel melatoninin etkisiyle teşvik edilen antioksidan savunma sisteminin, stresin olumsuz etkisini büyük ölçüde hafiflettiği belirlenmiştir. Tüm bu sonuçlar stres öncesi içsel melatonin içeriği ile kuraklık stresi arasında önemli bir ilişkinin olduğunu net bir şekilde göstermiş ve dolayısıyla içsel melatonin içeriğinin strese tolerant çeşitlerin geliştirilmesinde fizyolojik bir belirteç olarak kullanılabilirliğini ortaya konmuştur.
Tez çalışmasının ikinci kısmında ise bir önceki aşamada kuraklık stresine toleransı yüksek ve düşük olarak belirlenen 4 biber genotipine ait fidelere topraktan melatonin uygulaması (0 μM ve 5 μM) yapılmış ve fideler 12 gün süreyle kuraklık stresine maruz bırakılmıştır. Stres uygulaması sonrası başta antioksidan enzimler ile glioksalaz (Gly) mekanizmasında yer alan enzimler olmak üzere çeşitli biyokimyasal ve fizyolojik analizler
ii
yapılmıştır. Böylece hem kuraklığa toleransları farklı genotipler ile glutatyon (GSH) ve Gly mekanizması arasındaki ilişki, hem de yapılan melatonin uygulamalarının antioksidan enzimler de dahil olmak üzere GSH ve Gly mekanizmaları üzerine olası etkileri belirlenmiştir. Sonuç olarak kurağa tolerant genotiplerin hassaslara kıyasla daha düşük görsel hasar, EC sızıntısı, TBARS ve H2O2 içerikleri ile daha yüksek su potansiyeli değeri, klorofil ve prolin içeriklerine sahip oldukları görülmüştür. Ayrıca kurağa tolerant genotiplerin hassaslara kıyasla daha yüksek glutatyon enzim aktivitelerine ve daha yüksek GSH ile indirgenmiş glutatyon içeriğine sahip oldukları belirlenmiştir. Tolerant genotiplerin fidelerinde belirlenen antioksidan enzim aktiviteleri daha yüksek bulunmuştur. Stres sırasında oluşan serbest radikallerin yanında metilglioksal (MG) detoksifikasyonunu sağlamak amacı ile devreye giren Gly sistemi, kuraklığa hassas genotiplerde bir miktar işe yaramış olsa da etkisi tolerant genotiplerin sahip oldukları seviyelere ulaşamamıştır. Bu nedenlerden dolayı yüksek içsel melatonin içeriğine sahip olmanın kuraklık stresine toleransı sağlayan antioksidan savunma sistemini ve GSH ile Gly mekanizmasını olumlu yönde artırdığı açıkça söylenebilir. Stres öncesi yapılan melatonin uygulamaları sonrasında tüm genotiplerde su potansiyeli ve görsel hasar indeksi parametrelerinde iyileşmeler meydana gelmiş ve EC sızıntısı, H2O2 ve TBARS içeriğinde ise düşüşler yaşanmıştır. Yapılan melatonin uygulamaları tüm genotiplerde antioksidan enzimlerin aktivitelerini teşvik etmiştir. Melatonin uygulamaları sonrasında toksik bir madde olan MG'nin dokularda birikimi azalırken GSH ve Gly sisteminde yer alan ana bileşenlerde (glutatyon türevleri ve Gly enzimleri) önemli artışlar görülmüştür. Bu nedenle, kuraklık stresi altındaki biber bitkilerinde antioksidan savunma sistemi ile Gly sistemini harekete geçirebilmek adına dışarıdan yapılan melatonin uygulamalarının faydalı bir yöntem olacağı sonucuna varılmıştır.
Anahtar Kelimeler: biber, içsel melatonin içeriği, kuraklık stresi, glioksalaz mekanizması, melatonin uygulamaları, organik tarım

Abstract:
Daha sonra In addition to classical breeding methods in crop plants, developing resistant/tolerant genotypes or varieties against abiotic and biotic stress factors with the help of molecular markers has become very common. Breeding studies based on specific physiological traits aiming to obtain productive, high-quality, or especially stress-tolerant lines have become a frequently used method in recent years. Melatonin, regarded as a phytohormone lately, is known to scavenge free radicals directly or indirectly and detoxify reactive intermediates by stimulating enzymatic or non-enzymatic antioxidants.
The thesis was written in two parts. In the first part, the existence of a possible relationship between the endogenous melatonin content and drought stress was investigated using sixty long-fruited pepper (Capsicum annuum L.) genotypes exposed to drought stress for twelve days. After establishing this relationship, it aimed to determine drought-tolerant or sensitive genotypes. Results revealed that endogenous melatonin content detected before the stress in the leaves of pepper genotypes varied between 4.9 ng g-1 FW and 73.9 ng g-1 FW and that the genotypes with low endogenous melatonin content were much more affected by stress. It was observed that the oxidative damage to the cell membranes of pepper seedlings exposed to drought stress was more severe in the sensitive genotypes. In contrast, the antioxidant defense system promoted by the effect of high-endogenous melatonin of tolerant seedlings alleviated the adverse effects of drought stress considerably. All these results revealed that there is a significant relationship between pre-stress endogenous melatonin content and drought stress. Therefore, the use of the endogenous melatonin content as a physiological marker in the development of stress-tolerant cultivars has been demonstrated.
In the second part of the thesis, seedlings of 4 pepper genotypes, selected as drought tolerant or sensitive according to their endogenous melatonin levels in the previous part, were exposed to drought stress for 12 days after melatonin (0 μM and 5 μM) treatment through soil drench. Following the stress imposition, several biochemical and physiological analyses were conducted, in addition to antioxidant enzymes and the enzymes involved in the glyoxalase (Gly) mechanism. Thus, the relationship between the genotypes with different
iv
drought tolerance levels and the mechanisms of glutathione (GSH) and Gly, as well as the effects of melatonin applications on the GSH and Gly mechanisms, along with antioxidant enzymes, were established.
As a result, it was observed that drought-tolerant genotypes had lower visual damage, EC leakage, TBARS, and H2O2 contents and higher water potential values, chlorophyll, and proline contents compared to the sensitive genotypes. Thus, the relationship between the mechanisms of GSH and Gly and the genotypes differing in drought tolerance and the possible effects of melatonin treatments on GSH and Gly mechanisms, in addition to antioxidant enzymes, were determined. Moreover, drought-tolerant genotypes exhibited higher glutathione enzyme activities and had higher GSH and reduced glutathione contents than the sensitive ones. Antioxidant enzyme activities were also higher in the seedlings of tolerant genotypes. The Gly system, which is activated to detoxify methylglyoxal (MG) and free radicals formed during the stress, worked to some extent in drought-sensitive genotypes. However, it did not have the same effect observed in the tolerant genotypes. Therefore, it can be clearly said that having high endogenous melatonin content boosts the antioxidant defense system along with the GSH and Gly mechanisms that provide tolerance to drought stress. Pre-stress melatonin treatments improved water potential and visual damage index parameters in all genotypes while reducing the EC leakage, H2O2, and TBARS contents. Melatonin treatments promoted the activities of antioxidant enzymes in all genotypes. After melatonin treatments, the amount of MG, a toxic substance, in the tissues decreased. At the same time, substantial increases were observed in the main components of GSH and Gly systems (GSH derivatives and Gly enzymes). Therefore, exogenous melatonin treatment would be a useful method to activate the antioxidant defense system and the Gly system in pepper plants under drought stress.
Key Words: pepper, endogenous melatonin content, drought stress, glyoxalase mechanism, melatonin treatments, organic farming