TUZ STRESĐ Đ BÖRÜLCE (Vigna unguiculata L.) YAĞ ASĐTĐ ĐÇERĐĞĐ E ETKĐSĐ Đ ARAŞTIRILMASI. Dursun KISA Yüksek Lisans Tezi

Transkript

2 T.C. GAZĐOSMA PAŞA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ BĐYOLOJĐ A ABĐLĐM DALI YÜKSEK LĐSA S TEZĐ TUZ STRESĐ Đ BÖRÜLCE (Vigna unguiculata L.) YAĞ ASĐTĐ ĐÇERĐĞĐ E ETKĐSĐ Đ ARAŞTIRILMASI Dursun KISA TOKAT 2010 Her hakkı saklıdır

3

4 TEZ BEYA I Tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu tezin yazılmasında bilimsel ahlak kurallarına uyulduğunu, başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların başka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapılmadığını, tezin herhangi bir kısmının bu üniversite veya başka bir üniversitedeki başka bir tez çalışması olarak sunulmadığını beyan ederim. Dursun KISA i

5 ÖZET Yüksek Lisans Tezi TUZ STRESĐ Đ BÖRÜLCE (Vigna unguiculata L.) YAĞ ASĐTĐ ĐÇERĐĞĐ E ETKĐSĐ Đ ARAŞTIRILMASI Dursun KISA GAZĐOSMA PAŞA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ BĐYOLOJĐ A ABĐLĐMDALI Danışman: Doç. Dr. Lokman ÖZTÜRK Bu çalışmada iki börülce çeşidine (Karnıkara, Poyraz) 10 gün süre ile 50 mm ve 100 mm NaCI uygulandı. Bitkilerin kök ve yapraklarında malondialdehit (MDA), hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) ve yağ asidi miktarları belirlendi. Tuz stresi her iki çeşidin kök ve yapraklarında MDA miktarını azaltmıştır. 50 mm NaCI poyraz köklerinde % 25, 100 mm NaCI de ise karnıkara köklerinde % 27 oranında MDA miktarında azalmaya neden olmuştur. Fakat tuz stresi her iki çeşitte H 2 O 2 miktarını artmıştır. Bitkilerin kök ve yapraklarında doymuş yağ asidi yüzdesi artan tuz stresiyle birlikte artmıştır. 100 mm NaCI, poyraz çeşidinin köklerinde de doymuş yağ asidi yüzdesini kontrole göre yaklaşık 2,5 kat artırdığı görülmüştür. Bununla birlikte, tuz uygulaması 100 mm NaCI uygulanan karnıkara çeşidinin yaprakları hariç börülce çeşitlerinin kök ve yapraklarında çoklu doymamış yağ asidi yüzdesini azaltmıştır. 2010, 69 sayfa Anahtar Kelimeler: Börülce, hidrojen peroksit, lipid peroksidasyonu, tuz stresi, yağ asiti ii

6 ABSTRACT Ms Thesis I VESTIGATIO S OF THE EFFECT OF SALT STRESS O FATTY ACID COMPOSITIO I COWPEA (Vigna unguiculata L.) Dursun KISA Gaziosmanpasa Universty Graduate School of atural and Appliedd Sciences Departman of Biyology Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Lokman ÖZTÜRK In this study 50 mm and 100 mm NaCI were applied to two different types of cowpea (Karnıkara, Poyraz) for 10 days period. Quantities of malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and fatty acids were determined in roots and leaves of plants. Salt stres decreased MDA amount in both types of plants roots and leaves. 50 mm NaCI caused 25 % decrease of MDA in poyraz roots, 100 mm NaCI caused 27 % decrease of MDA in Karnıkara roots. However salt stress increased H 2 O 2 amount for both types. Saturated fatty acid percentage in roots and leaves of plants increased together with increasing salt stres. 100 mm NaCI was seen to increase saturated fatty acid percentage about 2,5 times compared to group. Nevertheless salt application decreased polyunsaturated fatty acid percentage in roots and leaves of cowpea types except for leaves of karnıkara in 100 mm dosage. 2010, 69 pages Keywords: Cowpea, fatty acid, hydrogen peroxide, lipid peroxidation, salt stress iii

7 TEŞEKKÜR Tez konusunun seçiminde ve çalışmalarım esnasında her türlü desteğini, yardımını ve ilgisini esirgemeyen değerli danışman hocam Doç. Dr. Lokman ÖZTÜRK e, Laboratuar çalışmaları esnasında yardımlarını esirgemeyen sayın hocam Doç. Dr. Necmettin YILMAZ a ve deneyler sırasında desteklerini esirgemeyen birlikte çalıştığım arkadaşlarım Emel ÖZSOY, Đbrahim TETĐKTABANLAR ve Bülent AKGÜL e teşekkürlerimi sunarım. Yüksek lisans araştırmalarım için gerekli olan tohum ihtiyacımı en kısa sürede ve hiçbir ücret talep etmeden karşılayan Balıkesir Tohumculuğa da ayrıca teşekkür ederim. iv

8 ĐÇĐ DEKĐLER Sayfa TEZ BEYA I... i ÖZET... ii ABSTRACT...iii TEŞEKKÜR... iv ĐÇĐ DEKĐLER... v ŞEKĐLLER LĐSTESĐ...viii TABLOLAR LĐSTESĐ... ix SĐMGE ve KISALTMALAR DĐZĐ Đ... x 1. GĐRĐŞ ve LĐTERATÜR ÖZETĐ Stres ve Stres Çeşitleri Stres Tuz Stresi Tuzluluk Bitkilerde Büyüme ve Fotosentezi Baskı Altına Alır Tuzluluk Bitkilerde Ozmotik Dengeyi Bozar Bitkiler Tuz Zararını Azaltmak Đçin Farklı Adaptasyonlar Geliştirirler Đyon düzenlenmesi ve Lokalizasyonu Uyuşabilir Bileşiklerin Biyosentezi Antioksidan Enzimlerin Đndüksiyonu Tuza Tolerans Fonksiyonel Genetik Yaklaşım Yoluyla Belirlenir Bitkilerde Oksidatif Stres ve Serbest Oksijen Türleri Superoksit Radikali (O 2 ) Hidrojen Peroksit (H 2 O 2 ) Hidroksil Radikali (OH ) Singlet Oksijen ( 1 O 2 ) Nitrik Oksit (NO ) Peroksil (ROO ) ve Alkoksil (RO ) Radikalleri Radikallerinin Meydana Getirdiği Hasarlar Proteinlerde Meydana Gelen Hasarlar DNA da Meydana Gelen Hasarlar Lipitlerde Meydana Gelen Hasarlar Bitkilerde Lipit Peroksidasyonu v

9 Peroksidayon Lipit Peroksidasyonu Başlama Evresi Lipit Peroksidasyonu Đlerleme Evresi Lipit Peroksidasyonu Yıkım Evresi ve Oluşan Çeşitli Organik Radikaller Organik Peroksit Radikali (RCOO ) Peroksil Radikali (ROO ) Alkoksil Radikali (RO ) Lipit Peroksidasyonu Sonlanma Evresi Antioksidan Savunma Sistemleri Enzimatik Olmayan Savunma Sistemi Askorbik Asit (Vitamin C) Glutatyon α-tokoferol (E Vitamini) Karotenoidler Fenolik Bileşikler (Flavonoidler) Enzimatik Savunma Sistemi Superoksit Dismutaz (SOD) Katalaz (CAT) Peroksidaz (POD) Askorbat Peroksidaz (APX) Glutatyon Redüktaz (GR) Fenilalanin Amonyum Liyaz (PAL) MATERYAL VE METOD Materyal Kullanılan Kimyasal Maddeler Kullanılan Cihaz ve Aletler Kullanılan Çözeltiler Hidrojen Peroksit Miktarının Belirlenmesinde Kullanılan Çözeltiler Malondialdehit Miktarının Belirlenmesinde Kullanılan Çözeltiler Yağ Asiti Tayininde Kullanılan çözeltiler Metot Bitkilerin Yetiştirilmesi ve NaCI Uygulaması Hidrojen Peroksit Miktarının Belirlenmesi Malondialdehit Tayini Yağ Asiti Tayini vi

10 Gaz Kromotografisi ve Çalışma Şartları Yağ Asitlerinin Tanımlanması ve Hesaplanması Đstatistik Analiz ARAŞTIRMA SO UÇLARI Malondialdehit Miktarı Sonuçları Hidrojen Peroksit Miktarının Belirlenmesinde Kullanılan Standart Grafik Hidrojen Peroksit Miktarı Sonuçları Yağ Asiti Tayini Sonuçları TARTIŞMA KAY AKLAR vii

11 ŞEKĐLLER LĐSTESĐ Şekil Sayfa 1.1. Bitkilerin farklı stres faktörlerine karşı cevabı Atriplex halimus ve tuz bezinin yapısı Bitkilerde serbest oksijen radikallerinin (ROS) metabolik kaynakları Hücrelerde oksidatif ve antioksidatif sistem Lipit Peroksidasyonu Serbest radikallerin etkisinin antioksidant ile uzaklaştırılması Askorbat Glutatyon döngüsü Askorbik asitle tokoferolün rejenerasyonu Bitkilerde reaktif oksijen türlerini zararsız hale dönüştüren hücresel ana metabolik yol Börülce çeşitlerinin yapraklarında MDA miktarı Börülce çeşitlerinin köklerinde MDA miktarı Hidrojen peroksit miktarının belirlenmesinde kullanılan standart grafik Börülce çeşitlerinin yapraklarında H 2 O 2 miktarı Börülce çeşitlerinin köklerinde H 2 O 2 miktarı viii

12 TABLOLAR LĐSTESĐ Tablo Sayfa 1.1. Bitkileri etkileyen stres faktörleri Optimum çevre koşullarında farklı bitkilerden alınan ürünlerin abiyotik stres etmenleri sonucu kaybolan ürün miktarları Türkiye topraklarının tuzluluk derecesi ve alanları Toprakların elektriksel iletkenlik (EC) değerlerine göre tuzluluk derecesi ve bitkilerin tepkileri Gen aktarımı yoluyla tuza toleransı tanımlanan bitkiler Başlıca reaktif oksijen türleri (ROS) Farklı NaCI konsantrasyonlarında Karnıkara yaprak ve köklerinde yağ asidi yüzdeleri Farklı NaCI konsantrasyonlarında Poyraz yaprak ve köklerinde yağ asidi yüzdeleri ix

13 SĐMGE ve KISALTMALAR DĐZĐ Đ AOS Aktifleşmiş oksijen türleri APX Askorbat peroksidaz CAT Katalaz GC Gaz kromotografisi GR Glutatyon redüktaz GSH Glutatyon H 2 O 2 Hidrojen peroksit L Lipit radikali MDA Malondialdehit MDHA Monodehidroksiaskorbat MUFA Tekli doymamış yağ asiti NO Nitrik oksit 1 O 2 Singlet oksijen O 2 OH PAL POD PUFA RO ROO ROS SFA SOD USFA Süperoksit radikali Hidroksil radikali Fenilalenin amonyum liyaz Peroksidaz Çoklu doymamış yağ asiti Alkoksil radikali Peroksil radikali Reaktif oksijen türleri Doymuş yağ asiti Süperoksit dismutaz Doymamış yağ asiti x

14 1 1. GĐRĐŞ ve LĐTERATÜR ÖZETĐ Börülce Afrika, Asya ve Latin Amerika nın kurak ve yarı kurak bölgelerinde temel, ekonomik önemli ürünlerden biridir (Huang ve Bie, 2010). Tropikal kökenli olan bu bitki diğer yemeklik tane bitkilerin yetişemediği yüksek sıcaklıklarda yetişebilme özelliğine sahiptir. Börülce ekiminin % 99 u Afrika kıtasında ve bununda % 86 sını Nijer ve Nijerya oluşturur. Dünya da geniş ekim alanlarına rağmen birim alan verimi düşük olduğu için az üretimi olan baklagil bitkisidir (Özdemir, 2002). Türkiye de börülce daha çok Ege Bölgesi nin bir ürünü olarak görülmektedir. Birinci derecede Isparta, Manisa ve Muğla da daha sonra Denizli, Đzmir, Çanakkale ve Balıkesir de yetiştiriciliği yapılır. Börülce yetiştirilen ikinci bölge Akdeniz Bölgesi olup Antalya ve Hatay da yetiştiriciliği yapılmaktadır. Ülkemizde ha alan üzerinde yaklaşık 26 milyon ton kadar sebze üretilmektedir. Bunun tonunu börülce oluşturmaktadır. Toplam börülce üretiminin tonu taze, tonu ise tane üretimidir. Ülkemizde börülce ekim alanının az olmasına neden olarak; bu bitkinin insan gıdası olarak memleketimizde pek fazla tanınmaması, birim alandan kaldırılan ürünün düşük oluşu, yurt içi börülce talebinin azlığı nedeniyle birim fiyatının düşmesi köylünün bu bitkinin kültüründen vazgeçerek daha kârlı bitkilere yönelmesi ve ihracat olanağının azlığı gösterilebilir (Ünlü ve Padem, 2005). Yemeklik tane baklagiller içinde bezelyeden sonra en az ekim alanı ve üretimi olan bir bitkidir. Börülce tek yıllık bir bitkidir. Genel karakteri gereği sıcaktan hoşlanır. En iyi yetiştirme sıcaklığı C arasındadır. Yıllık yağış 600 mm kadar olan yerlerde sulamaya ihtiyaç duyulmaksızın yetişebilmektedir. Donlara karşı çok hassastır 1 C sıcaklıkta zarar görür. Kısa gün bitkisi olup fotoperyoda hassastır, optimum ışıklandırma süresi 8-14 saattir. Morfolojik özellikleri ve yetişme koşullarının fasulyeye çok benzemesi, yakın zamana kadar börülcenin fasulye cinsi içerisinde bir bitki olarak sınıflandırılmasına neden olmuştur. Börülce Phaseoleceae familyası içerisinde yer almaktadır. Dünyada yaklaşık 150 kadar börülce türü bulunmaktadır.

15 2 Ülkemizde yetiştirilen börülce türü Vigna unguiculata (L.) Walp (Cowpea) dır. Türk Standartları Enstitüsü tarafından yapılan sınıflandırmaya göre ülkemizde ak kız, karnıkara, sarı göbek ve kırmızı börülce (poyraz) çeşitleri yetişmektedir (Özdemir, 2002). Araştırmalarımızda börülcenin karnıkara ve poyraz çeşitleri kullanılmıştır. Çeşitli stres faktörleri bitkilerde aktifleşmiş oksijen türlerinin oluşmasına neden olurlar. Meydana gelen reaktif türler radikal olarak adlandırılır ve bu radikaller bitki dokularında çeşitli yüzeylere saldırarak hasarlara sebep olurlar. Radikallerin en fazla saldırdıkları yüzeyler, hücre membranlarında bulunan, çoklu doymamış yağ asitleridir. Doymamış yağ asitleriyle radikallerin etkileşimi sonucu hücre zarlarının doymuş ve doymamış yağ asidi oranları değişmektedir. Meydana gelen reaksiyonlar sonucunda MDA gibi çeşitli lipit peroksidasyon ürünleri oluşur. Tuz stresinin bir sonucu olan oksidatif stresin bitkilere etkisi sonucu meydana gelen radikaller, oluşan son ürünler ve yağ asidi oranlarındaki değişiklikler araştırmacılar tarafından incelenmektedir. Cavalcanti ve ark. (2007) tarafından börülceye 200 mm NaCI uygulayarak kök ve yapraklardaki MDA değişimlerini araştırmışlardır. Tuz etkisinin sonucunda yaprak MDA miktarında tedrici bir artış görülmüşken, köklerde kontrol grubuna göre önemli derecede azalma meydana gelmiştir. Vaidyanathan ve ark. (2003) tuz stresinin pirinç çeşitlerinde H 2 O 2 ve MDA miktarlarında meydana getirdikleri değişiklikleri incelemişlerdir. Farklı konsantrasyonlarda uyguladıkları tuz stresine karşı strese toleranslı olan çeşitte tuz konsantrasyonlarına bakılmaksızın tüm uygulamalarda H 2 O 2 içeriği değişmeden kalırken, tuza hassas olan çeşitte ise tuz miktarının artmasıyla H 2 O 2 miktarı da artmıştır. MDA miktarında tuz miktarının artışına paralel olarak her iki çeşitte de artış görülmüş fakat dirençli türde daha az lipit peroksidasyonu oluşmuştur. Peygamber çiçeği üzerinde tuz stresinin etkisini araştıran Radic ve ark. (2006) H 2 O 2 ve MDA miktarlarına bakmışlardır. MDA ve H 2 O 2 miktarı on günlük stres süresince gövdelerde artmış fakat köklerde kontrol gruplarına göre önemli bir değişim olmamıştır. Pirinç yapraklarına 200 mm NaCI stresinin H 2 O 2 üzerine etkisi Lin ve Kao (2000) tarafından incelenmiştir. Tuz uygulamasının H 2 O 2 birikimine neden olmamış ve lipit peroksidasyonunda da artış görülmemiştir.

16 3 Esfandiari ve ark. (2007) tuz stresinin iki farklı çeşit buğday fideleri üzerinde lipit peroksidasyonunun etkisini araştırmışlardır. Bu çeşitlerden birinde artan tuz konsantrasyonuna paralel olarak MDA miktarı da artmış fakat diğerinde değişiklik meydana gelmemiştir. 50 mm ve 100 mm NaCI uygulamasının susam kültürlerinde lipit peroksidasyon ve antioksidatif enzimler üzerine etkisi Koca ve ark. (2007) tarafından incelenmiştir. 40 günlük tuz uygulamasından sonra tuzluluğun neden olduğu oksidatif stresin üstesinden gelme yeteneği susam çeşitleri arasında farklılık göstermiştir. MDA miktarı her iki çeşitte de kontrol grubuna kıyasla tuz konsantrasyonunun artmasıyla artmıştır fakat tuza nisbi toleranslı olan çeşitte daha az lipit peroksidasyonu olduğunu bulmuşlardır. Koca ve ark. (2006), Shalata ve Tal (1998) tuz stresinin Lycopersicon pennellii de lipit peroksidasyonu üzerine etkilerini çalışmışlardır. NaCI uygulaması sonucu direçli çeşitte düşük miktarda MDA tespit etmişlerdir. Bu sonucu antioksidatif enzim sisteminin iyi çalışmasından kaynaklanabileceğini ileri sürmüşlerdir. Stres faktörlerinin bitki lipit peroksidasyonu üzerine etkisi, Demiral ve Türkan (2005), Dionisio-Sese ve Tobita (1998), Khosravinejad ve ark. (2008), Türkan ve ark. (2005), Gehlot ve ark. (2005), Ashraf ve ark. (2010) ve Neto ve ark. (2006) gibi araştırmacılar tarafından incelenmiştir. Tuz stresinin bitkilerde yağ asidi oranlarında meydana getirdiği değişiklikler üzerinde literatürde fazla çalışma mevcut değildir. Salama ve ark. (2007) NaCI ün mısır kültürlerinde plazma membran lipitlerinde meydana getirdiği değişiklikleri çalışmışlardır. Đki farklı mısır çeşidine 150 mm NaCI uygulanarak yapılan çalışmada total doymuş yağ asidi oranı stres durumunda artış göstermiştir. Tuz stresi membranlarda yağ asidi dağılımını etkileyerek doymuş/doymamış yağ asidi oranını azalttığını bildirmişlerdir. Taarit ve ark. (2010) tuz stresi altında adaçayı yapraklarında temel yağ asidi ve temel yağ kompozisyonunda meydana gelen değişimler üzerine çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada 100 mm NaCI de total yağ asidi içeriği % 32 oranında azalmıştır. Bununla beraber artan tuz stresiyle tekli doymamış yağ asitleri oranı artarken çoklu doymamış yağ asitleri azalmıştır.

17 4 Tuz stresinde kişniş yapraklarında temel yağ ve yağ asidi kompozisyonunda meydana gelen değişimler Neffati ve Marzouk (2008) tarafından çalışılmıştır. Tuzluluk total yağ asidi içeriğini üst ve alt yapraklarda önemli oranda azaltmıştır. NaCI konsantrasyonunun artmasıyla doymamış/doymuş yağ asidi oranında azalmaya neden olduğu araştırmacılar tarafından bildirilmiştir. Hamed ve ark. (2005) halofit kaya koruğu bitkisinde tuz stresi altında yağ asidi profillerindeki değişimleri araştırmışlardır. Tuz stresi membran total yağ asidi kompozisyonunda önemli bir değişikliğe neden olmamıştır. Elkahoui ve ark. (2004) Catharanthus roseus hücre süspansiyon kültürlerinde tuz stresinin lipitlerde oluşturduğu değişiklikleri çalışmışlardır. 100 mm NaCI de 16:0 olan palmitik asit oranında azalma, 18:2 linoleik asit oranında artma meydana gelmiştir. Literatürlerde tuz stresinin börülce bitkisinde yağ asidi kompozisyonu üzerine etkisiyle ilgili çalışmalara rastlanmamıştır. Bu çalışmada karnıkara ve poyraz börülce çeşitlerinde tuz uygulamalarının kök ve yapraklardaki yağ asidi kompozisyonu ve yüzdesi, lipit peroksidasyonu ve H 2 O 2 miktarı üzerine etkileri araştırılmıştır Stres ve Stres Çeşitleri Dünya nüfusu hızlı bir şekilde artarken 2050 yılı sonu itibariyle yaklaşık 9 milyar olacağı tahmin ediliyor. Diğer taraftan insanoğlu için vazgeçilmez olan gıda üretimi çeşitli stres faktörleri tarafından olumsuz etkilenmektedir. Artan gıda talebinin üstesinden gelmek tüm ulusların temel ilgi alanlarından biri olmaktadır (Mahajan ve Tuteja, 2005). Bitkisel üretimde stres; bitkinin yaşadığı ortamda bir veya birden fazla etkenin, büyüme ve gelişmeyi olumsuz yönde etkileyerek, verim düşüklüğü ile sonuçlanan bir dizi gerilemeye neden olarak algılanmaktadır (Kuşvuran ve ark., 2008). Bitkiler yaşamları sürecinde birçok stres faktörü ile karşılaşmaktadırlar. Bitki üzerinde ender olarak tek başlarına etki yapabilen bu stres faktörleri, genellikle etkilerini eş zamanlı olarak gerçekleştirmektedir (Kalefetoğlu ve Ekmekçi, 2005).

18 5 Tablo 1.1. Bitkileri etkileyen stres faktörleri STRES FAKTÖRLERĐ Abiyotik stres faktörleri Soğuk Sıcaklık Tuzluluk Kuraklık Biyotik stres faktörleri Patojenler Böcekler Otçullar Kemiriciler Radyasyon Kimyasallar ve kirleticiler Rüzgar Toprakta besin eksikliği Bitkilerde strese neden olan etmenler genel olarak biyotik ve abiyotik stres faktörleri olarak ikiye ayrılır. Abiyotik etmenler canlı dışı durumların oluşturduğu olumsuz şartlar olup bitkilerde önemli ürün kayıplarına neden olmaktadırlar. Abiyotik stres faktörleri; soğuk, sıcaklık, tuzluluk, kuraklık, radyasyon, kimyasallar ve kirleticiler, oksidatif stres, rüzgâr ve topraklardaki besin eksikliği sayılabilir. Biyotik etmenler ise patojenler, böcekler, otçullar ve kemiriciler gibi çeşitli canlı faktörlerinin bitkilere verdiği hasarlardır. Biyotik ve abiyotik stres etmenleri bitkilerde ürün azalmasına neden olarak insan ve hayvanların beslenmelerini olumsuz şekilde etkilemektedir. Abiyotik stres morfolojik, fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler değişimlere neden olarak bitki büyüme ve verimliliğini olumsuz etkilemektedir (Yıldız ve Terzi, 2007). Abiyotik stres ürün verimini azaltmakta ve bu ürün kıtlığından dolayı her yıl milyonlarca dolar değerinde kayıplar oluşmaktadır (Mahajan ve Tuteja, 2005). Abiyotik etmenler bitkilerde %51 ile % 82 arasında değişen büyük ürün kayıplarına neden olmaktadır (Kacar ve ark., 2006). Gerçekte bu stresler, sürdürülebilir tarım endüstrisini tehdit etmektedir.

19 6 Tablo 1.2. Optimum çevre koşullarında farklı bitkilerden alınan ürünlerin abiyotik stres etmenleri sonucu kaybolan ürün miktarları (Kacar ve ark., 2006). Bitki Optimum ürün miktarı, kg ha ¹ Elde edilen miktarı, kg ha ¹ Biyotik stres sonucu kaybolan ürün miktarı, kg ha ¹ Abiyotik stres sonucu kaybolan ürün miktarı, kg ha ¹ Abiyotik stres sonucu kaybolan % miktar Arpa Buğday Yulaf Mısır Sorgum Soya fasulyesi Patates Şeker pancarı Bitkiler maruz kaldığı stres etmenlerine karşı metabolik değişiklikler gerçekleştirerek stres hasarını en aza indirgemeye çalışırlar. Oluşturdukları cevaplar ya stresten kaçınma veya dayanıklılık mekanizmaları geliştirerek etkisi altında kaldıkları faktörlerin hasarını azaltırlar. Bitkilerde çeşitli genler stres faktörlerine cevap olarak düzenlenir. Biyoteknolojik ve gen aktarımı teknikleriyle strese dayanıklı bitkiler geliştirilerek üretime sokulmasıyla yaşadığımız beslenme sorunlarının çözümüne yönelik adımlar atılmaya başlanmıştır Stres Biyolojik olarak stres, bitkiler gibi biyolojik sistemin varlığını ve normal fonksiyonunu engelleyen olumsuz şartlardır. Stres bitkide büyüme ve gelişmeyi olumsuz etkiler, ürün kaybına ve bitkinin tamamen veya bazı organlarının yaşamını yitirmesine neden olur.

20 7 Bitkiler stres faktörlerinden tamamen aynı oranda etkilenmezler. Bir biyolojik durum, bir bitki için stres oluştururken diğeri için optimum olabilir. Bir bitki aynı ortamda yaşamını en iyi şekilde devam ettirebilirken, diğeri bu ortamdan etkilenerek gelişiminde yavaşlama meydana gelebilir. Bu gibi durumlar bitki çeşidine göre değişmektedir. Bitkiler strese cevap oluştururken hücresel veya tüm bitki yüzeylerinde değişiklikler meydana getirerek yanıt verirler. Bunlar gen aktivasyonu, bazı proteinlerin sentezi, yapraklarda küçülme, stoma sayısının azalması, kutikula kalınlaşması, ozmolit birikimi ve tuz keselerinin oluşması gibi çeşitli cevaplardır. Strese karşı oluşturulan cevaplar; türe, genotipe, su kaybı şiddetine ve uzunluğuna, bitkinin gelişme durumuna, yaşına, organ ile hücre tipine ve hücresel kompartmanlaşmaya bağlı olarak değişmektedir. Oluşturulan cevaplar protein fosforilasyon derecesinde meydana gelecek bir değişiklikse birkaç saniye, gen ifadesinde meydana gelecek değişiklikse dakikalar veya saatler sürebilir (Kalefetoğlu ve Ekmekçi, 2005). Şekil 1.1. Bitkilerin farklı stres faktörlerine karşı cevabı

21 Tuz Stresi En önemli stres faktörlerinden biri olan tuzluluk bitkilerde büyüme, gelişme ve ürün miktarını olumsuz şekilde etkiler. Tuzluluk genelde kurak ve yarı kurak bölgelerde görülür. Yağışlı bölgelerde ise tuzlar yıkanarak yer altı sularına karışır ve daha sonra da akarsularla denizlere taşınır. Bu nedenle tuzluluk yağışlı bölgelerde nadir olarak görülür (Kacar ve ark., 2006). Günümüzde, çoğu yörelerde doğal kaynakların azalması veya kirlenmesi, düşük kaliteli tuzlu suların kullanımını zorunlu duruma getirmiştir. Tarım alanlarında sulamada kullanılan sular, mutlaka bünyelerinde belirli miktarlarda çözünmüş katı madde kısaca tuz içerirler. Tuzluluk dünya tarım alanlarının 930 milyon ha ya denk gelen % 7 sini etkiler (Munns, 2002). Ülkemizde ise yapılan arazi etütlerine göre sulanabilir özellikteki 12.5 milyon ha arazinin yaklaşık 1.5 milyon hektarında tuzlu ve sodyumlu topraklar, 2.8 milyon hektarında ise yaş topraklar oluşmuştur. Bu rakamlara göre sorunlu araziler sulanabilir özellikteki alanlarımızın üçte birini kapsamaktadır (Öztürk, 2003). Tablo 1.3. Türkiye topraklarının tuzluluk derecesi ve alanları (Öztürk, 2003). Tuzluluk derecesi Alan (ha) Toplamdaki % si Hafif Tuzlu Tuzlu Alkali Hafif Tuzlu Alkali Tuzlu Alkali Toplam Tuzluluk, tarım yapılan alanlarda verimliliği olumsuz yönde etkileyen önemli bir etmendir. Tarım topraklarının önemli sorunlarından biri olan tuzluluk ve alkalilik son yıllarda sulamaya paralel olarak yetersiz drenaj ve sulama suyunun kalite özelliği nedeniyle giderek artmaktadır. Ülkemizde toplam olarak hektarlık bir alan

22 9 kaplayan drenaj sorunu olan alanların hektarında tuzluluk ve alkalilik sorunu görülmektedir. Drenaj bozukluğu gösteren topraklar ise genellikle kıyı ve Đç Anadolu ovalarında görülmektedir (Özcan ve ark., 2000). Buharlaşma ve terleme yoluyla topraktan su kaybının fazla olduğu alanlarda toprak yüzeyinde tuz birikir. Ayrıca iyi drenaj sağlanmadan yapılan tarla sulamaları tuzluluğun artmasına neden olmaktadır. Sulama suyunda çözünmüş madde konsantrasyonu fazla ise ve biriken tuzlar drenaj sistemiyle yıkanmazsa, tuzluluk tuza hassas türlere zarar vermeye başlar (Taiz ve Zeiger, 2008). Yüksek tuz konsantrasyonu, özellikle Na+, toprak gözeneklerinde birikerek toprak su iletiminde azalmaya neden olur. Topaklarda yüksek tuz varlığı düşük su potansiyeli zonu oluşturarak bitkiler için su ve besin maddeleri alımını zor hale getirir. Bu yüzden, temelde tuz stresi bitkilerde su eksikliğiyle sonuçlanır ve fizyolojik kuraklık durumu ortaya çıkar. Toprak tuzluluğu kavramı, birim hacimdaki toprakta bulunan çözünebilir tuzların miktarını belirtir. Genellikle Cl ve SO 4 2 anyonlarının iki değerlikli katyonlarla, özellikle Ca+ 2, toprağın tuz içeriği laboratuar koşullarında, elektrik geçirgenlik ölçüm cihazıyla belirlenir. Toprak tuzluluk seviyesi ve bitkilerin bu tuzluluk oranlarına tepkisi Tablo 1.4. deki gibi sınıflandırılır. Tablo 1.4. Toprakların elektriksel iletkenlik (EC) değerlerine göre tuzluluk derecesi ve bitkilerin tepkileri Tuzluluk, E.C. (25 0C de ds/m) Bitki Tepkisi 0-2 Çok az tuzlu Tuzluluğun etkisi genelde ihmal edilebilir 2-4 Az tuzlu Çok duyarlı bitkilerin ürün verimleri düşebilir 4-8 Tuzlu Birçok bitkinin ürün verimi düşer 8-16 Çok tuzlu > 16 Aşırı tuzlu Tuza dayanıklı bitkiler normal ürün verebilir Tuza çok dayanıklı birkaç bitki ürün verebilir

23 10 Aşırı tuzluluk, stres altındaki bitkinin yaşaması için gerekli biyokimyasal ayarlamayı yapması ve topraktan suyu alması için harcaması gereken enerjiyi artırarak bitki gelişmesini azaltmaktadır. Bitki, yaşaması için harcadığı bu enerjiyi, büyüme ve verim için kullanacağı enerjiden sağlamakta ve verimde azalmalar ortaya çıkmaktadır. Bitkilerin tuzluluğa dayanımı, kök bölgesindeki eriyebilir tuzların belli bir seviyesi için elde edilen verim ile tuzlu olmayan koşullarda elde edilen verimin karşılaştırılması olarak açıklanabilir. Dolayısıyla bitki tuz toleransı, bitkilerin yetişme koşullarına bağlı oransal bir değerdir. Yüksek tuzluluğun bitkiler üzerindeki zararlı etkileri bitkinin ölümü ve/veya üretimin düşmesi şeklinde gözlenebilir. Birçok bitki türü ya hücrelerine tuzu almayarak ya da tuzu hücre içinde tolere edecek mekanizmalar geliştirmişlerdir. Tuz stresi etkisinde fotosentez, protein sentezi, enerji ve lipit metabolizması etkilenir. Esas anlamda tuz stresine ilk cevap yaprak yüzey alanının büyümesinde azalma şeklinde kendini gösterir. Hücre büyümesi için gerekli olan karbonhidratlar fotosentez esnasında sağlanır. Fotosentez oranları bitki tuz stresi (özellikle NaCl stresi) altında iken genelde düşüktür (Doğan, 2005). Bitki hücrelerinde tuz stresiyle meydana gelen hasarların nedenleri, Na+ hücre metabolizması için toksiktir ve bazı enzimlerin fonksiyonlarını inhibe eder, Yüksek Na+ yoğunluğu ozmotik dengesizlik, membran düzensizliği, hücre bölünme, büyüme ve çoğalmasında yavaşlamalara neden olur, Yüksek Na+ seviyesi fotosentezi yavaşlatarak reaktif oksijen türlerinin artmasına neden olur (Mahajan ve Tuteja, 2005). Tuz stresi bitki gelişimini, fotosentezi yavaşlatır ve su dengesini bozar. Tuzun verdiği hasarlara karşı bitkiler faklı adaptasyonlar kazanır Tuzluluk Bitkilerde Büyüme ve Fotosentezi Baskı Altına Alır Bitkiler tuza olan duyarlılıklarına göre temelde iki gruba ayrılırlar. Halofitler tuzlu topraklara özgü olup tüm yaşam devrelerini bu topraklarda devam ettirirler. Glikofitler

24 11 ise tuzlu topraklara halofitler kadar dirençli olmayıp tuza karşı duyarlı bitki gruplarını oluştururlar. Aşırı tuz stresi bitkilerde bodur büyümeye ve kök sistemlerinin gelişmesinde yavaşlamalara neden olur. Tomurcuk oluşumu azalır, topraküstü organların ve yaprakların gelişiminde yavaşlamalar meydana gelir. Tuz etkisinden dolayı hücrelerin ölmesi köklerde, tomurcuklarda, yaprak kenarlarında ve büyüme uçlarında sararmalar meydana gelir (Kacar ve ark., 2006). Kloroplastlarda yüksek konsantrasyonda Na+ ve/veya Cl birikince fotosentez engellenir. Karbohidrat metabolizması ve fotofosforilasyon tuza karşı hassastır. Hassasiyet bu mekanizmalarda rol alan enzimlerin tuzluluğa duyarlılığından ileri gelir (Taiz ve Zeiger, 2008) Tuzluluk Bitkilerde Ozmotik Dengeyi Bozar Köklenme bölgesinde çözünmüş olarak bulunan maddeler, düşük ozmotik potansiyele sahiptirler. Düşük ozmotik potansiyel toprağın su potansiyelini düşürür. Dolayısıyla tuz konsantrasyonu arttıkça bitki topraktan daha az su alır. Ortamda Na+, Cl ve SO₄ iyonlarının artması protoplazma iyon dengesinin bozulmasına neden olarak iyon toksitesi sorunu ortaya çıkar. Normal topraklarda bitki sitosolü mm K+ ile 10 mm Na+ içerir (Taiz ve Zeiger, 2008). Na+ un K+ a oranının artması enzimleri etkisizleştirir, protein sentezini engeller, membran permeabilitesi azalır ve kloroplastlar zarar görür Bitkiler Tuz Zararını Azaltmak Đçin Farklı Adaptasyonlar Geliştirirler Bitkilerin tuza tolerans kazanabilmesi için hem iyonik hem de ozmotik denge gereklidir. Hücre içi iyon dengesi toksik iyon alınımını ve iyonların vakuolde kompartmentalizasyonunu sağlayan belirleyicileri gerektirir. Vakuolde iyon birikimini ozmotik düzenleme sağlar. Ozmotik düzenleme hücre içi homeostazi için sitosolde ozmolitlerin birikimiyle sağlanır. Tuz stresinden sonra ozmotik ve iyonik dengenin kurulması yalnız hücre ölümünü önlemez aynı zamanda büyüme ve yaşam döngüsünü tamamlamak için gerekli fizyolojik ve biyokimyasal reaksiyonların devamını sağlar (Jenks ve Hasegawa, 2005).

25 12 Tuzlu topraklarda yetişen bitkiler bünyelerine fazla miktarda tuz almışlarsa, transpirasyon yoluyla tuzları üst organlarına doğru taşırlar. Bitkiler tuzun zararlarını en aza indirgemek için, sürgünlerden, meristemlerden ve yapraklardan tuzu dışarı atarlar. Tuz sediri, tuz çalısı ve Atriplex halimus (Deniz semizotu) gibi bazı bitkiler iyonları köklerden uzaklaştıramadıkları için yapraklarda tuz bezleri oluşturarak iyonlar zararsız hale getirilir (Şekil 1.2.). Halofitler yaprak hücrelerinde Na+ ve CI iyonlarını biriktirseler de, üst organlarına taşınan tuz miktarı turgoru düzenlemek için ihtiyaç duyulan miktardan çok fazladır. Yapraklardan tuz bezleriyle fazla iyonların kaldırılması bitkiler için önemli bir mekanizmadır. Tuz, tuz bezlerine apoplastik ve simplastik yollarla taşınır (Pessarakli, 1999). Şekil 1.2. Atriplex halimus ve tuz bezinin yapısı (Pessarakli, 1999). Bitkiler tuz stresinin üstesinden gelmek için değişik moleküler ve biyokimyasal mekanizmalar geliştirmiştir. Tuzluluğa adaptasyonu sağlamak için prolin, glisinbetain, trehaloz ve mannitol gibi çeşitli organik maddeler sentezleyerek moleküler olarak su potansiyellerini ayarlamaya çalışırlar. Biyokimyasal mekanizmalar iyonları seçici biriktirme veya kabul etmeme, kökler tarafından iyon alınımının kontrolü ve yapraklara transportu, hücresel ve tüm bitki düzeyinde iyonların kompartmantalizasyonu, uyumlu

Daha göster