Mısır (Zea mays L.) fidelerinde sistein teşvikli kadmiyum toleransının transkriptomik analizleri
Transcriptomic analysis of the cysteine-induced cadmium tolerance in maize (Zea mays L.) seedlings
Yazar: YELİZ OPAK ÇOBAN
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
Dizin: Abiyotik stres = Abiotic stress

Özet:
Kadmiyum (Cd), toprakta birikebilen, bitki büyümesi ve gelişimi için ciddi bir tehdit oluşturabilen oldukça toksik bir ağır metaldir. Sülfür içeren bir amino asit olan sisteinin (Cys), bitkilerdeki Cd detoksifikasyonunda çok önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, mısır fidelerinde Cys aracılı Cd toleransının altında yatan moleküler mekanizmalar tam olarak anlaşılmamıştır. Bu nedenle bu çalışmada, mısır (Zea mays L. cv. Capuzi) fidelerinde Cys aracılı Cd detoksifikasyonunun olası moleküler mekanizmaları fizyolojik ve transkriptomik analizlerle araştırılmıştır. Hidroponik olarak büyütülen mısır fideleri 75 µM Cd ve 250 µM Cys uygulamalarına maruz bırakılmıştır. On gün sonra, muamele edilmiş mısır fideleri, büyüme, Cd birikimi, klorofil içeriği, enzimatik antioksidanları ve diferansiyel olarak ifade edilen genleri (DEG'ler) incelenerek metal tolerans mekanizmasını analiz etmek için hasat edilmiştir. Cd stresi, daha fazla Cd birikimine bağlı olarak fide büyümesini ve klorofil içeriğini azaltmıştır. Ayrıca Cd stresi, süperoksit dismutaz ve katalaz aktivitelerindeki azalmaya bağlı olarak lipid peroksidasyonu gibi oksidatif stres belirteçlerini arttırmıştır. Dışsal Cys uygulanmasının, Cd birikimini ve lipit peroksidasyonunu azaltarak ve fotosentetik pigmentleri ve antioksidan enzimlerin aktivitelerini iyileştirerek bitki büyümesi üzerinde koruyucu bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Karşılaştırmalı transkriptom analizi, Cd stresi altında 2422 genin ifade seviyesinin değiştiğini (953 artan ve 1469 azalan) göstermiş. Cys+Cd uygulamasında ise 2577 genin (1540 artan ve 1037 azalan) ifade seviyesi değişmiştir. Gen ontolojisi (GO) sınıflandırmasında, kontrol/Cd karşılaştırmasında küçük moleküllü metabolik süreç, transmembran taşıma ve karbohidrat metabolik süreci ile ilgili genler ve Cd/Cys+Cd karşılaştırmasında transmembran taşıma, fotosentez ve karbohidrat metabolik süreci ile ilgili çok sayıda DEG zenginleştirilmiştir. Kyoto Genler ve Genomlar Ansiklopedisi (KEGG) zenginleştirme analizi, kontrol/Cd karşılaştırmasındaki DEG'lerin metabolik yollar, fotosentez ve ikincil metabolitlerin biyosentezi ile ilişkili olduğunu, Cd/Cys+Cd karşılaştırmasında ise DEG'lerin fotosentez, metabolik yollar ve fenilpropanoid biyosentezi ile ilişkili olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuçlar, dışsal Cys uygulamasının fotosentez, klorofil biyosentezi, membran taşınımı, antioksidan enzim sistemi ve ikincil metabolit biyosentezi gibi farklı yollardaki genlerin ifadesini düzenleyerek mısır fidelerinin Cd toleransını iyileştirdiğini göstermiştir. Bu araştırma, tarımsal bitkilerin ağır metal stresine karşı toleransını iyileştirmek ve sonuçta tarımsal üretkenlik ve çevresel sürdürülebilirliğe fayda sağlamak için yenilikçi stratejilerin geliştirilmesine katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.

Abstract:
Cadmium (Cd) is a highly toxic heavy metal that can accumulate in the soil, posing a serious threat to plant growth and development. Cysteine (Cys), a sulfur−containing amino acid, has been shown to play a crucial role in the detoxification of cadmium in plants. However, the molecular mechanisms underlying Cys-mediated Cd tolerance in maize seedlings has not been well understood. In this study, therefore, the possible molecular mechanisms of the Cys−mediated Cd detoxification in maize (Zea mays L. cv. Capuzi) seedlings by physiological and transcriptomic analyses were investigated. Hydroponically grown maize seedlings were subjected to 75 M Cd and 250 M Cys treatments. After 10 d, the treated maize seedlings were harvested to analyze the metal tolerance mechanism via examining growth, Cd accumulation, chlorophyll content,  enzymatic antioxidants and differentially expressed genes (DEGs). Cd stres decreased seedling growth and chlorophyll content due to greater Cd accumulation. Moreover Cd stresi enhanced oxidative stress markers such as lipid peroxidation due to decrease in superoxide dismutase and catalase activities. It has been determined that exogenous Cys application has a protective effect on plant growth by reducing Cd accumulation and lipid peroxidation and improving the activities of photosynthetic pigments and antioxidant enzymes. Comparative transcriptome analysis showed that the expression levels of 2422 genes changed (953 up−regulated and 1469 down−regulated) under Cd stress. Whereas the expression levels of 2577 genes changed by Cys+Cd application (1540 up−regulated and 1037 down−regulated). In gene ontology (GO) classification, many DEGs related to small molecule metabolic process, transmembrane transport and carbohydrate metabolic process were enriched in the control/Cd comparison, and transmembrane transport, photosynthesis and carbohydrate metabolic process were enriched in the Cd/Cys+Cd comparison. The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analysis reveals that DEGs in control/Cd comparison are related to the metabolic pathways, photosynthesis, and biosynthesis of secondary metabolites, while in Cd/Cys+Cd comparison, DEGs are related to the photosynthesis, metabolic pathways, and phenylpropanoid biosynthesis. The results indicated that exogenous application of Cys improved the Cd tolerance of maize seedlings by regulating the expression of genes in different pathways, such as photosynthesis, chlorophyll biosynthesis, membrane transport, antioxidant enzyme system, and secondary metabolite biosynthesis. This research has the potential to contribute to the development of innovative strategies for improving the tolerance of crops to heavy metal stress, ultimately benefiting agricultural productivity and environmental sustainability.