Arsenik ve cıva stresi altındaki mısır yapraklarında klorofil fluoresans parametreleri, reaktif oksijen türleri ve antioksidan aktivite üzerine mimosin uygulamalarının etkilerinin araştırılması
Investigatıon of the effects of mimosine treatments on chlorophyll fluorescence parameters, reactive oxygen species and antioxidant activities in maize leaves under arsenic and mercury stresses
Yazar: AYŞENUR TURGUT
Danışman: PROF. DR. EVREN YILDIZTUGAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Botanik = Botany
Dizin: Bitki fizyolojisi = Plant physiology ; Biyokimya = Biochemistry ; Biyokimyasal analiz = Biochemical analysis ; Oksidatif hasar = Oxidative damage ; Oksidatif stres = Oxidative stress

Özet:
Arsenik (As) ve cıva (Hg) kirliliği tarımda evrensel bir sorundur. As ve Hg bitki büyümesinde, su tutma kapasitesinde, fotosentetik verimde ve redoks dengesinde bozulmalara neden olur. Öte yandan amino asit (mimosin gibi) uygulamaları, ağır metallerin bu etkilerini hafifletmek için umut verici bir yaklaşımdır. Bu çalışma, As (100 μM) ve Hg (100 μM) stresi altında mimosin (M, 200 ve 500 μM) uygulamalarının mısır (Zea mays) üzerindeki fizyolojik ve biyokimyasal etkilerini ortaya çıkarmayı amaçladı. As, Hg ve As+Hg stresi bağıl büyüme oranını (RGR) sırasıyla %34, %51 ve %82, bağıl su içeriğini (RWC) ise %20, %17 ve %29 azalttı. Ancak M'nin her iki dozu ile bu azalan değerlerde iyileşme tetiklenmiştir. Ayrıca gaz değişim parametrelerinde stresin neden olduğu hasar M ile tersine çevrilmiştir. Ağır metal stresi nedeniyle fotosentetik aparatın işlevi baskılanmış ve Fv/Fo oranı sırasıyla %34, %39 ve %40 oranında azalmıştır. M, PSII elektron akışı ve azalan plastokinon havuzundan PSI elektron merkezine elektron transferi yoluyla elektron akış hızı üzerindeki zararlı etkileri tersine çevirerek performans endeksini arttırdı. Stres altında süperoksit dismutaz (SOD), katalaz CAT), peroksidaz (POX), NADPH oksidaz (NOX), askorbat peroksidaz (APX) ve glutatyon redüktaz (GR) azalırken, glutatyon S-transferaz GST), dehidroaskorbat (DHA) ve oksitlenmiş glutatyon (GSSG) içeriği arttı. Ancak antioksidan sistem üzerindeki tüm bu etkiler M uygulamaları ile etkili bir şekilde düzenlenmektedir. Ek olarak mimosin, hidrojen peroksit (H2O2) içeriğini ve stresle artan lipid peroksidasyonunu (TBARS) azaltmada başarılı olmuştur. AsA-GSH döngüsünü de düzenleyen M, hücresel redoks dengesinin korunmasını sağlamıştır. Konfokal mikroskop görüntüleri incelendiğinde, M'nin bilinen H2O2 temizleme özelliğinin, hücredeki stres nedeniyle artan ROS'un ortadan kaldırılmasında etkili olduğu, stoma hücrelerinde belirgindi. Bu bulgular sonucunda ROS'un azaltılması sadece fotosentetik verimliliği değil aynı zamanda gaz değişim parametrelerini ve antioksidan enzim aktivitesini de olumlu yönde etkilediği görülmektedir. Çalışmadan elde edilen sonuçlar, mısır bitkilerinde As ve Hg toksisitesinin olumsuz etkilerini iyileştirmede M'nin hafifletici rolleri konusunda yeni yaklaşımlar sunmaktadır.

Abstract:
Arsenic (As) and mercury (Hg) contamination are universal problem in agriculture. As and Hg cause disruptions in plant growth, water retention capacity, photosynthetic efficiency and redox balance. On the other hand, amino acid AA) application is a promising approach to alleviate these effects of heavy metals (HM). The current study aimed to reveal the physiological and biochemical effects of mimosine (M, 200 and 500 μM) applications on maize (Zea mays) under As (100 μM) and Hg (100 μM) stress. As, Hg, and As+Hg stress reduced the relative growth rate (RGR) by 34%, 51%, and 82%, and relative water content (RWC) by 20%, 17%, and 29%, respectively. However, improvement was triggered in these decreased values with both doses of M. Also, the damage caused by stress in gas exchange parameters was reversed by M. In addition, the function of photosynthetic apparatus was suppressed by HM stresses and Fv/Fo rate decreased by 34%, 39% and 40%, respectively. M increased the performance index by reversing the detrimental effects on the electron flow rate through the PSII electron flux and electron transfer from the decreased plastoquinone pool to the PSI electron center. Under stress, superoxide dismutase (SOD), catalase CAT), peroxidase (POX), NADPH oxidase (NOX), ascorbate peroxidase (APX) and glutathione reductase (GR) decrease, while glutathione S-transferase GST), dehydroascorbate (DHA) and oxidised glutathione (GSSG) increased. However, all these effects on antioxidant system effectively regulated with M treatments. In addition, mimosine was successful in reducing hydrogen peroxide (H2O2) content and lipid peroxidation (TBARS) increased by stress. M, which also regulates the AsA-GSH cycle, ensured the preservation of cellular redox balance. It was also evident in the guard cells when examining confocal microscope images that the known H2O2 scavenging property of M was effective in eliminating ROS increased by stress in the cell. As a result of these findings, decreasing ROS positively affects not only photosynthetic efficiency but also gas exchange parameters and antioxidant enzyme activity. The results obtained from the study provide new approaches on the mitigating roles of M in ameliorating the negative effects of As and Hg toxicity in maize plants.