Tuz ve kuraklık stresi etkisindeki arpa (Hordeum vulgare L.) bitkisinde moleküler analizler
Molecular analysis on barley (Hordeum vulgare L.) under the effect of salt and drought stresses
Yazar: ÖZLEM DİKEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜLRUH ALBAYRAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Genetik = Genetics

Özet:
Bu çalışmada, abiyotik stres faktörlerinin (tuz stresi ve kuraklık) etkisinde kalmış arpa bitkisinde (Hordeum vulgare L. var. Tokak) meydana gelen fizyolojik yanıt, antioksidan enzim aktivitelerindeki değişimler ve sentezlenen transkripsiyon faktörleri incelendi.Arpa embriyo kültürlerinde tuz stresi koşulları MS besi ortamına farklı konsantrasyonlarda (10, 40, 50, 60 mM) CaCl2 eklenerek sağlandı. Kontrol materyali düz MS besi ortamında yetiştirildi. Tuz stresinin Tokak varyetesinde rejenerasyon sayısını istatistiksel olarak etkilemediği, artan tuz konsantrasyonunun kontrole göre ortalama gövde uzunluğunda azalmaya neden olduğu saptandı (p=0). Tuz konsantrasyon artışına bağlı olarak ortalama kök uzunluğu kontrole göre azalırken (p<0.01), 50 ve 60 mM CaCl2 uygulaması ile kök gelişimi tamamen engellendi.Kuraklık etkisi ise kontrol ortamında yetişen 10 günlük bitkilerin %20 PEG ilaveli sıvı MS besi ortamında 1, 3, 5 ve 24 saat bekletilmeleri ile oluşturuldu. Kontrol ortamında, kuraklık ve tuz stresi etkisindeki bitkilerde abiyotik stres yanıtında rol oynayan antioksidan enzimlerin (peroksidaz, katalaz ve süperoksit dizmutaz) aktivitelerindeki değişimler incelendi. Hem tuz hem de kuraklık etkisinde bırakılan Tokak varyetesinde antioksidan enzim aktivitelerinde stres faktörünün etkisine bağlı olarak kontrol materyaline göre artış gözlendi. Peroksdidaz aktivitesinde en yüksek aktivite 60 mM tuz uygulaması ve 1 saatlik kuraklık uygulamasında, katalaz aktivitesindeki en yüksek aktivite 10 mM tuz ve 3 saat kuraklık uygulamasında, süperoksit dismutaz aktivitesinde ise 60 mM tuz ve 5 saat kuraklık uygulamasında en yüksek aktite gözlendi. Sonuç olarak, abiyotik stres toleransının antioksidan savunma sistemi ile yakından ilişkili olduğu belirlendi.Tokak varyetesinde stres toleransında görevli olan çok sayıdaki proteinin sentezini düzenleyen genel transkripsiyon faktörleri RT-PCR analizi ile araştırıldı. DREB2 ve WRKY38'in hem tuz hem de kuraklık toleransından sorumlu transkripsiyon faktörleri oldukları belirlendi. WRKY38 gen anlatımının tuz stresine bağlı olarak arttığı da deneysel olarak gösterildi.Bu araştırma projesi ile ekonomik değere sahip Tokak varyetesinin mevcut tuz ve kuraklık toleransı saptandı. Strese karşı bitki savunmasında görev alan antioksidan enzim aktiviteleri ve stres yanıtında görevli proteinlerin sentezinde rol alan genel transkripsiyon faktörleri belirlendi. Elde edilen bu bulgular, arpada abiyotik stres toleransından sorumlu mekanizmaların araştırılmasına katkıda bulunacaktır. Ayrıca Türk arpa varyetelerinde stres toleransının gen aktarımı ile artırılmasına yönelik gerçekleştirilecek olan çalışmanın da ön bulgularını oluşturmaktadır.

Abstract:
In this study, the changes in antioxidant enzyme activities, synthesized transcription factors and physiological response of barley (Hordeum vulgare L. var. Tokak) under the effect of abiotic stress (salt stress and drought) were investigated.In the barley embryo cultures, salt stress conditions were triggered by adding different concentrations of CaCl2 (10, 40, 50, 60 mM) in MS media. Control material was grown in standard MS medium. It was determined that salt stress in Tokak variety did not statistically affect the regeneration number but the increase in the salt concentration caused a decrease in the average stem length (p=0) in comparison to control material. While the average root length decreased in comparison to control material depending on the increase in salt concentration (p<0.01), root development was totally inhibited by treating 50 and 60 mM CaCl2.Drought stress was provided by incubating the 10-day old plants, grown in control media, for 1, 3, 5 and 24 hours in 20 % PEG added MS media. Changes in activities of antioxidant enzymes (peroxidase, catalase and superoxide dismutase), playing role in abiotic stress response, were investigated in the plants in control media and under drought and salt stress effects. Compared to the control material on increase is observed in antioxidant enzyme activities of Tokak varieties, which is under both salt and drought stress. The highest activity observed in peroxidase enzyme was under 60 mM salt and 1 hour drought application. Where as in catalase enzyme the highest activity was under 10 mM salt and 3 hours drought application and in superoxide dismutase enzyme peak activities observed in 60 mM salt and 5 hours salt application. As a result of those, It is determined that abiotic stress tolerance was closely associated with the antioxidant defence system.General transcription factors that regulate the synthesis of several proteins responsible for stress tolerance in Tokak variety were analysed by RT-PCR. It was determined that DREB2 and WRKY38 were the transcription factors responsible for both drought and salt stress tolerance. It was experimentally revealed that WRKY38 gene expression increased in response to salt stress.Present salt and drought tolerances of economically valuable Tokak variety were determined in this research project. Antioxidant enzyme activities responsible for plant defence against stress and general transcription factors playing role in the synthesis of proteins that regulate the stress response were identified. The findings of this study will contribute to future investigations of mechanisms that are responsible for abiotic stress tolerance in barley; moreover, they form preliminary results for a future study on increasing the stress tolerance of Turkish barley varieties by gene manipulation.