Tuzluluk ve/veya kuraklık stresi altındaki buğday fidelerinde PVP kaplı bakır nanopartiküllerin büyüme, antioksidan sistem ve stres toleransı üzerine etkilerinin belirlenmesi
Determination of the effects of PVP-coated copper nanoparticles on growth, antioxidant system and stress tolerance in wheat seedlings under salinity and/or drought stress
Yazar: RUMEYSA EKİM LEVENTOĞLU
Danışman: PROF. DR. EVREN YILDIZTUGAY ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜŞRA ARIKAN ABDULVELİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Antioksidan enzimler = Antioxidant enzymes ; Bitki fizyolojisi = Plant physiology ; Biyokimya = Biochemistry ; Oksidatif stres = Oxidative stress

Özet:
Bakır (Cu), bitkiler için temel olan mikro besinlerden biridir ve geçmişten günümüze tarımsal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, aşırı bakır, bitkilerde fotosentezi inhibe etme ve biyokimyasal süreçleri bozma gibi toksik etkilere neden olur. Nanoteknoloji uygulamaları, bu olumsuz etkileri en aza indirmek ve bakır nanopartiküllerinin etkinliğini artırmak için kritik bir çözüm yöntemi sunmaktadır. Bu amaçla, bu çalışmada polivinilpirolidon (PVP) kaplı Cu nanopartiküllerinin (PVP-Cu NP; N1, 100 mg L−1; N2, 400 mg L-1) Triticum aestivum'da tuz (S, 150 mM NaCl) ve/veya kuraklık (D, %10 PEG-6000) stresiyle birlikte fizyolojik ve biyokimyasal etkileri araştırılmıştır. Tuzluluk ve su yoksunluğu buğday fidelerinde %51 ve %22 oranında büyüme geriliğine neden olmuştur. Kombine stres koşulu (S+D) altında yaprakların ozmotik potansiyelinde yaklaşık 3 kat azalmaya gözlemlenmiştir. Strese maruz kalan bitkilere uygulanan PVP-Cu NP uygulamaları, özellikle N1 dozu, büyüme hızının geri kazanılmasında ve su ilişkilerinin düzenlenmesinde etkili olmuştur. Tüm stres uygulamaları stomalardaki gaz değişiminde ve PSII'nin (Fv/Fm) maksimum kuantum veriminde sınırlamalarla sonuçlanmıştır. S+N1 ve S+N2 uygulamaları altında stoma geçirgenliğinde ve karbon asimilasyon oranında %50'den fazla iyileşme gözlenmiştir. OJIP geçiş parametrelerinin incelenmesi, N1 uygulamalarının kuraklık ve S+D koşullarında dağılmış enerji akışını (DIo/RC) azaltarak fotokimyasal reaksiyonları koruduğunu ortaya koymuştur. S ve/veya D stresine maruz kalma, buğday yapraklarında yüksek hidrojen peroksit (H2O2) birikimine ve lipit peroksidasyonuna neden olmuştur. Sonuçlar, S+N1 ve S+N2 uygulamalarının antioksidan enzimler süperoksit dismutaz (SOD), peroksidaz (POX) ve askorbat peroksidaz (APX) aktivitelerini uyararak oksidatif hasarı azalttığını göstermiştir. 100 mg L− 1 PVP-Cu NP uygulamaları (N1) ile D ve S+D koşullarında benzer etkiler gözlenmesine rağmen, N2 dozunun iyileştirici etkisi gözlenmemiştir. D+N1 ve S+D+N1 gruplarında, AsA rejenerasyonu ve GSH redoks durumu, APX, GR ve AsA-GSH döngüsüne ait diğer enzim aktivitelerini tetikleyerek korunmuştur. Bu gruplarda, N2 uygulaması enzimatik ve enzimatik olmayan antioksidanların aktivitesine katkıda bulunmamıştır. Sonuç olarak, bu çalışma, N1 doz PVP-Cu NP uygulamasının tüm stres koşullarında stres toleransı sağlamada ve bakır kaynaklı olumsuz etkileri sınırlamada başarılı olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
Copper (Cu) is one of the essential micronutrients for plants and has been used extensively in agricultural applications from the past to the present. However, excess copper causes toxic effects such as inhibiting photosynthesis, and disrupting biochemical processes in plants. Nanotechnology applications have offered a critical method for minimizing adverse effects and improving the effectiveness of copper nanoparticles. For this purpose, this study investigated the physiological and biochemical effects of polyvinylpyrrolidone (PVP)-coated Cu nanoparticles (PVP–Cu NP, N1, 100 mg L-1; N2, 400 mg L-1) in Triticum aestivum under alone or combined with salt (S, 150 mM NaCl) and/or drought (D, %10 PEG-6000) stress. Salinity and water deprivation caused 51% and 22% growth retardation in wheat seedlings, respectively. The combined stress condition (S + D) resulted in an approximately 3-fold reduction in the osmotic potential of the leaves. PVP-Cu NP treatments for plants under stress, especially N1 dose, were effective in restoring growth rate and regulating water relations. All stress treatments limited gas exchange in stomata and suppressed the maximal quantum yield of PSII (Fv/Fm). More than 50% improvement was observed in stomatal permeability and carbon assimilation rate under S+N1 and S+N2 applications. Examination of OJIP transient parameters revealed that N1 treatments protected photochemical reactions by reducing the dissipated energy flux (DIo/RC) in drought and S+D conditions. Exposure to S and/or D stress caused high hydrogen peroxide (H2O2) accumulation and lipid peroxidation in wheat leaves. The results indicated that S+N1 and S+N2 treatments reduced oxidative damage by stimulating the activities of antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POX), and ascorbate peroxidase (APX). Although similar effects were observed at D and S+D conditions with 100 mg L-1 PVP-Cu NP treatments (N1), the curative effect of the N2 dose was not observed. In D+N1 and S+D+N1 groups, AsA regeneration and GSH redox status were maintained by triggering APX, GR, and other enzyme activities belonging to the AsA-GSH cycle. In these groups, N2 treatment did not contribute to the availability of enzymatic and non-enzymatic antioxidants. As a result, this study revealed that N1 dose PVP-Cu NP application was successful in providing stress tolerance and limiting copper-induced adverse effects under all stress conditions.