TOHUM BĠYOLOJĠSĠ DERS NOTLARI

Transkript

1 TOHUM BĠYOLOJĠSĠ DERS NOTLARI HAZIRLAYAN: YRD. DOÇ. DR. ALĠ DOĞRU

2 1. BÖLÜM TOHUMLAR ÇĠMLENME, YAPI VE KĠMYASAL ĠÇERĠK GĠRĠġ Eşeyli üreme sonucu meydana gelen yeni bir bitki yaşamına gelişmekte olan tohum içerisinde bir embriyo olarak başlar. Tohum ise tohum taslağından (ovül) oluşmuştur. Tohum olgunlaştığı zaman ana bitkiden ayrılıp ortama dağılır ve çimlendikten sonra yeni bireylerin oluşmasını sağlar. Genelde çimlerde ve tahıllarda olduğu gibi, tohum yapısına ovaryum duvarı ve çiçek dışındaki bazı yapılar da katılır ve daha karmaşık bir dağılma organı oluşmuş olur. Sonuç olarak tohumlar, gelişmiş bitkilerin yaşamında önemli bir pozisyona sahiptir. Çimlenme sonunda tohumdan sağlıklı bir fidenin oluşumu, tohumun fizyolojik ve biyokimyasal bazı özelliklerine bağlıdır. Bu konudaki önemli faktörler arasında tohumun çevresel koşullara verdiği cevaplar ve tohumun sahip olduğu besin içeriği de sayılabilir. Tohum yapısında bulunan çeşitli besinler hem çimlenme sırasında hem de çimlenmeden sonra oluşan fideye, ototrofik özellik kazanmasına kadar, yani ışığı kullanma yeteneğini kazanmasına kadar geçen sürede gerekli besin desteğini sağlar. İnsan yaşamı da birçok yönden bitkisel kaynaklara bağımlı olduğu için, tohumun çimlenmesi ve sağlıklı bir bitkinin oluşumu ayrıca bir öneme sahiptir. Ayrıca Poaceae (tahıllar) ve Fabaceae (baklagiller) familyası üyesi olan bitkilerde, tohumun kendisi protein, nişasta ve yağ gibi besin maddelerini yüksek oranda içerdiği için başlı başına bir besin kaynağıdır. Dolayısıyla tohumların ekonomik ve biyolojik olarak önemli yapılar olduğu söylenebilir ÇĠÇEK Çiçek metamorfoza uğramış, internodları kısalmış veya tamamen kaybolmuş ve uzaması durmuş bir dal olarak tanımlanabilir. Gelişmiş bitkiler kalıtsal yapı ile kontrol edilen bazı içsel kontrol mekanizmaları ve ortam koşullarının etkisiyle, vejetatif evreden generatif evreye 2

3 geçecekleri zaman vejetasyon noktası çiçek meristemlerini meydana getirir ve çiçeklenme olayı gerçekleşir. Çiçek türe bağlı olarak farklı yapılara sahip olabilir. Çiçeğin görevi iç kısımda bulunan generatif organları korumak ve tozlaşmayı kolaylaştırmaktır. Uç kısmında çiçeği taşıyan dala pedisel (çiçek sapı) adı verilir. Çiçeğin yapısını oluşturan kısımlar, pediselin genişlemiş bölgesine bağlıdır. Bu bölgeye reseptakulum (çiçek tablası) denir. Çiçeğin kısımları steril (verimsiz) ve fertil (üretken) olmak üzere ikiye ayrılır. Çiçeğin steril kısımlarını periant (çiçek örtüsü) oluşturur. Periantın ilk tabakası yeşil renkli yaprakçıklardan oluşan ve çanak yapraklar olarak bilinen kalikstir. Kaliksi oluşturan her parçaya sepal adı verilir. Periantın ikinci tabakası çeşitli göz alıcı ve parlak renklerde olabilen ve taç yapraklar olarak bilinen korolladır. Korollayı oluşturan her parçaya ise petal denir. Monokotil bitki çiçeklerinde sepal ve petal şeklinde bir farklılaşma görülmez ve bu durumda çiçek örtüsü perigon adını alır. Perigonun her parçası da tepal olarak bilinir. Periant veya perigonun iç kısmında farklı daireler halinde dizilmiş generatif organlar bulunur. Bunlardan dışta bulunan erkek organların herbirine stamen, stamenlerin oluşturduğu topluluğa androkeum; içte bulunan dişi organlara pistil, pistillerin tamamına ise ginekeum adı verilir. Stamenler bir sap (filament) ve bir baş (anter) olmak üzere iki; pistil ise ovaryum (yumurtalık), stilus (boyun) ve stigma (tepe) olmak üzere üç kısımdan oluşmuştur. Şekil 1. 1' de kapalı tohumlu bir bitkinin çiçeği görülmektedir. ġekil Kapalı tohumlu bir bitkinin çiçeği ve kısımları STAMENĠN YAPISI VE POLEN OLUġUMU Stamenin anter adı verilen baş kısmı iki tekadan oluşmuştur. Bu tekalar konnektif denilen verimsiz bir doku ile birbirine bağlanmıştır. Her tekada iki tane polen kesesi (lokulus) bulunur (Şekil 1. 2). Polen keselerinde polenleri meydana getirecek olan çok sayıda polen ana hücresi bulunur. Bunlar mayoz bölünme ile herbiri haploid olan dört tane hücre (mikrospor) 3

4 oluştururlar. Bu mikrosporların herbiri anterden dışarı atılmadan önce mitoz bölünerek vejetatif ve generatif nükleusları meydana getirirler. Bu şekilde tozlaşmaya hazır olan iki nükleustan (vejetatif ve generatif) oluşan mikrospora polen adı verilir. Polenler olgunlaştığı zaman, tekalardaki polen keselerinin ana çeperleri erir ve her tekadaki iki polen kesesi birleşir. Daha sonra tekanın açılmasıyla polenler ortama dağılır (Şekil 1. 3). ġekil Bir anterin yapısı. Polen kesesi Haploid nukleus Generatif nukleus Vejetatif nukleus Polen ana hücresi (2n) MAYOZ Mikrospor (n) MİTOZ MİTOZ MİTOZ MİTOZ POLEN TANESİ TETRAT ġekil Bir anterin mikroskobik görünümü ve polen oluşumu. 4

5 Stilus PĠSTĠLĠN YAPISI VE TOHUM TASLAĞININ (OVÜL) OLUġUMU Pistili oluşturan her parçaya karpel edı verilir. Pistilin en alt kısmında bulunan ve şişkinleşmiş olan kısmı ovaryum olarak bilinir. Yumurtalıkta bir ya da daha çok sayıda ovül bulunur. Stilus ise karpellerin ovaryumdan yukarıya doğru uzanan silindir şeklindeki kısmıdır. Görevi polenleri, polen tüpü vasıtasıyla ovaryuma iletmektir. Stilusun boyu bitki türüne göre değiştiği gibi bazı bitkilerde bulunmayabilir. Stigma ise stilusun ucundaki çoğu kez genişlemiş ve bazen de dilimli bir yapı kazanmış olan bölgedir. Stigmadan yapışkan bir sıvı salgılanır. Pistilin ovaryum kısmının içinde belirli sayıda ovül bulunur. Ovüller döllenmeden sonra tohumu oluştururlar. Tipik bir ovül genellikle dış kısmında bir veya iki tane integüment, integümentler içindeki temel doku (nusellus) ve ovulü ovaryum duvarına bağlayan funikulus adı verilen bir sap kısmından oluşur. Ayrıca funikulusun ovüle bağlandığı noktaya hilum, nusellusun taban kısmına kalaza ve dış integümentlerin uç kısmındaki açıklığa mikropil denir (Şekil 1. 4A ve B). A Stigma B Ovül Ovaryum ġekil Pistil (A) ve ovülün (B) yapısı. Ovaryumda ovüller meydana gelirken önce dışarıya doğru küçük bir çıkıntı oluşur. Bundan sonra integümentlerin izleri belirir. İntegümentlerin iç kısmında nusellus oluşur ve ovül funikulus yardımıyla ovaryum duvarına bağlanır. Ovülün çok erken gelişme evresinde nusellus içinde büyük bir hücre meydana gelir. Bu hücre mayoz bölünme ile dört tane haploid hücre oluşturur. Bunlardan üç tanesi ölürken, diğeri gelişmeye devam eder. Tipik bir makrospor olan bu hücre, embriyo kesesi ana hücresi olarak adlandırılır. Bu ana hücrenin nukleusu mitoz bölünme geçirir ve oluşan nükleuslardan herbiri karşılıklı iki kutba giderler. 5

6 Bu nukleuslar bulundukları kutuplarda ardarda ikişer mitoz geçirir ve sonuçta her kutupta dörder tane nükleus oluşur. Her iki kutuptan birer haploid nükleusun ortaya doğru gelerek birleşmesiyle oluşan diploid nükleusa embriyo kesesi sekonder nükleusu denir. Mikropil tarafında kalan üç nükleustan ortadaki daha fazla gelişerek yumurta hücresini oluştururken, bunun iki yanındaki hücreler de sinergit hücresi adını alırlar. Kalaza tarafındaki üç nükleus ise antipod hücreleri olarak bilinir (Şekil 1. 5). ġekil Bir ovülün meydana gelişi (İ.İ: iç integüment; D.İ: dış integüment; F: funikulus; N: nusellus; MS: makrospor; EKSN: embriyo kesesi ana hücresi) TOZLAġMA VE DÖLLENME Polen tanelerinin herhangi bir araçla anterden stigmaya taşınması olayına tozlaşma veya polinasyon adı verilir. Tozlaşma olayı tozlaşma aracına bağlı olarak farklı isimlerle anılır. Rüzgar aracılıyla meydana gelen tozlaşmaya entemofili, su aracılığı ile meydana gelen tozlaşmaya hidrofili, böceklerle sağlanan tozlaşmaya entemofili ve kuşlarla sağlanan tozlaşmaya da ornitofili adı verilir. 6

7 Polen keselerinde oluşan polenlerin dışta bulunan çeperine ekzin, içte bulunan çeperine ise intin adı verilir. Ekzinin görevi poleni dış etkilerden korumaktır. Ayrıca yüzeyinde delik, yarık ve tüy gibi çeşitli oluşumlar içerir (Şekil 1. 6). Olgun bir polenin içinde vejetatif ve generatif olmak üzere iki nükleus bulunur. Olgun polen stigma üzerine ulaştığı zaman çimlenmeye başlar. Polenin sitoplazması ekzin üzerinde bulunan deliklerden dışarı çıkarak stilus içinde uzun bir polen tüpü meydana getirir. Bu tüpün içine sitoplazma ile birlikte ilk önce vejetatif nükleus girer. Generatif nükleus ise önce bölünerek iki tane sperm nükleusu oluşturur. Bu sperm nükleusları da daha sonra polen tüpüne girerler. Polen tüpü stilus içinde ilerleyerek ovaryuma ulaşır ve ovaryuma ya mikropil denilen delikten (porogami) ya da farklı bir bölgeden girer (aporogami). Daha sonra polen tüpü içeriği ovaryuma boşaltılır. Bu sırada polen tüpü içerisindeki vejetatif nükleus kaybolur. Ovaryuma giren sperm nükleuslarından biri yumurta hücresiyle birleşerek zigotu (2n) oluşturur. Diğeri ise embriyo kesesi sekonder nükleusu ile birleşir (Şekil 1. 7). Kapalı tohumlu bitkiler için karakteristik olan bu olaya çift döllenme adı verilir. Zigotun gelişmesiyle embriyo, döllenen embriyo kesesi sekonder nükleusunun gelişmesiyle de endosperm (3n) oluşur. ġekil Farklı iki bitkinin polenlerinin elektron mikroskobundaki görünümü (A: Ipomea purpurea; B: Asteraceae) EMBRĠYONUN GELĠġĠMĠ Döllenen yumurta hücresi bölünerek bazal hücre ve embriyo hücresini oluşturur. Bazal hücre bölünüp büyüyerek süspensörü, embriyo hücresi ise küre şeklindeki proembriyoyu meydana getirir. Proembriyonun gelişmesiyle, ana bitkinin küçük bir modeli olarak tanımlanabilen embriyo oluşur. Embriyonun mikropile bakan kısmında radikula (kök taslağı), kalazaya bakan kısmında ise kotiledonlar bulunur (Şekil 1. 8). Zigotun gelişmesiyle oluşan embriyo tohumun 7

8 esas kısmını meydana getirir. Çünkü embriyonun büyüyüp gelişmesiyle ileride yani bir bitki oluşacaktır. Eğer varsa, endosperm de çimlenme ile birlikte embriyonik bölgelerin büyümesi için gerekli olan besin maddelerinin kaynağını oluşturur. Nusellusu çevreleyen integümentler ise değişikliğe uğrayarak testayı oluştururlar. Embriyo ve testa her tohumda bulunmasına rağmen, endosperm her tohumda bulunmayabilir. Bu durumda gerekli besin maddeleri kotiledonlarda depo edilir. ġekil Kapalı tohumlu bitkilerde tozlaşma ve çift döllenme sonucu zigot ve endospermin oluşumu (GN: generatif nükleus; VN: vejetatif nükleus). 8

9 ġekil Dikotil bir bitkide zigottan embriyonun oluşumu ÇĠMLENME ĠLE ĠLGĠLĠ GENEL KAVRAMLAR Çimlenme terimi bilimsel literatürde genelde yanlış kullanılır. Çimlenme olayı tohumun su alıp şişmesi (imbibisyon) ile başlar ve embriyonik eksenin, genellikle de radikulanın uzamaya başlaması ile sona erer. Çimlenme sırasında proteinlerin hidrasyonu, hücre altı (subsellüler) yapılarda meydana gelen değişimler, solunum, bazı makromoleküllerin sentezi ve hücre uzaması gibi birçok metabolik olay gerçekleşir. Bu metabolik olayların hiçbiri de sadece çimlenmeye özgü olan olaylar değildir. Ancak bu olayların belli bir düzen içinde meydana gelmesi ile su miktarı ve metabolizma hızı en düşük seviyede olan dinlenme halindeki embriyo, hızlı bir metabolik aktiviteye ulaşır ve bu süreç büyüme ile sonuçlanır. Dolayısıyla çimlenme olayı, fide büyümesi evresini içermez. Aynı şekilde çimlenmeyi, fidenin topak yüzeyinde görüldüğü dönemi içine alacak şekilde tanımlamak da doğru değildir. Tohum konusunda araştırma yapanlar çimlenme olayını bu şekilde algılamaktadır. Çünkü bu araştırıcılar için önemli olan tarımsal ve ekonomik değeri olan sağlam bir bitkinin 9

10 oluşmasıdır. Gelişmeye başlamış olan bir fidede meydana gelen besin maddelerinin mobilizasyonu da çimlenme dönemine değil, çimlenme sonrası evreye ait olan olaylardır. Çimlenme ile ilgili olayların görülmediği tohumların dinlenme halinde oldukları söylenir. Bu durumdaki tohumlarda metabolik aktivite ve su miktarı çok düşüktür (% 10-15). Tohumların en önemli özelliklerinden birisi de uzun süre dinlenme halinde kalmaları ve daha sonra normal metabolik aktivite kazanabilmeleridir. Çimlenmenin başlaması için tohumların uygun çevresel koşullar altında su almaları yeterlidir. Çimlenme ile ilgili olaylar, radikula uzamasının gerçekleşmediği tohumlarda da gözlenebilir. Bazen çimlenmenin başlaması için gereken imbibisyon, solunum, nükleik asit ve protein sentezi gibi olayların gerçekleşmesine ve ortam koşulları da uygun olmasına rağmen, hücre uzaması görülmez. Bu olaya dormansi, bu durumdaki tohumlara da dormant tohum denir. Eğer dormansi, ana bitkiden ayrılıp çevreye dağılan tohumların yapısında bulunan çimlenmeyi önleyen maddelerden kaynaklanıyorsa buna primer dormansi adı verilir. Bazı durumlarda da olgunlaşmış ve imbibe olmuş tohumlarda çimlenmenin ilerlemesini önleyen etken çevresel faktörler olabilir. Bu dormansi çeşidi de sekonder dormansi olarak bilinir. Dormant tohumlar, dormansinin kırılmasını sağlayan bazı uygulamalar yardımıyla çimlenme yeteneğini kazanırlar. Işık, düşük sıcaklık, düşük ve yüksek sıcaklığın sırayla defalarca uygulanması ile çimlenmeyi engelleyen faktörün etkisi ortadan kaldırılabilir. Ancak bu uygulamalar çimlenmenin başlamasından sonraki dönemde gerekli değildir ÇĠMLENMENĠN ÖLÇÜLMESĠ Çimlenmenin hangi ölçüde ilerlediği, su alınımının veya solunumun ölçülmesiyle kabaca belirlenebilir. Ancak bu yöntem sadece çimlenme sürecinin hangi evreye ulaştığı konusunda fikir verir. Çimlenmenin ilerlemesini belirlemeye yönelik olarak kullanılabilecek evrensel bir biyokimyasal metod yoktur. Çimlenme olayının tam olarak belirlenebilen tek evresi bitiş evresidir. Genelde radikulanın tohum kabuğunu (testa) yırtarak dışarıya çıkması, çimlenmenin bitmek üzere olduğunu gösterir. Radikulanın kendisini çevreleyen dokuları delerek dışarıya çıkmadan büyüdüğü durumlarda ise taze ağırlığın sürekli artmaya başladığı anda çimlenmenin bittiği söylenir. 10

11 Bitki fizyolojisinde genelde tamamı bir çiçek durumu veya bitki tarafından üretilen, tamamı aynı bölgeden toplanan veya tamamı belirli deneysel uygulamalara maruz bırakılan çok sayıda tohumun çimlenmeyi izleyen davranışları ile ilgilenilir. Bir populasyonda çimlenmenin tamamlanma derecesi, çimlenme periyodu boyunca belli aralıklarla belirlenir ve çimlenme yüzdesi olarak ifade edilir. Çimlenme yüzdesi ile ilgili olarak çizilen grafikler genelde sigmoidal karaktere sahiptir. Yani populasyondaki az sayıda tohum daha erken çimlenir, daha sonra çimlenme hızlanır ve en sonunda yine az sayıda tohumun çimlendiği görülür. Bu tip grafiklerde pozitif bir eğrilik vardır. Yani çimlenme periyodunun ilk yarısında elde edilen çimlenme yüzdesi, ikinci yarısına göre daha yüksektir. Eğrilerin genel şekillerinin aynı olmasına rağmen, populasyonlar arasında önemli faklılıklar vardır. Örneğin şekil 1. 9 daki d eğrisi, az sayıda tohumun çimlemesinden sonra sabitleşmiştir. Bu durum, d populasyonunun çimlenme kapasitesinin düşük olduğunu göstermektedir. Yani populasyonda çimlenmeyi tamamlama kapasitesine sahip olan tohum sayısı oldukça düşüktür. Eğer bu tohumların canlı olduğunu kabul edersek, populasyonun çimlenme bakımından sergilediği davranış dormansi veya olumsuz çevresel koşullara bağlanabilir. ġekil Zamana bağlı çimlenme eğrileri. 11

12 Eğrilerin şekli aynı zamanda populasyonun benzerliğine (uniformity) de bağlıdır. Bu terim populasyondaki tohumların aynı zamanda çimlenme özelliğini ifade etmektedir. Bu durumda, şekil 1. 9 daki e populasyonunda böyle bir özellik yoktur. Şekil 1. 9 daki e eğrisine göre, az sayıda tohum oldukça erken bir evrede çimlenmiş, kalanlar ise bir gecikme döneminden sonra çimlenmeye başlamıştır. Buna göre bu populasyonda hızlı ve yavaş çimlenen tohumlar olmak üzere iki gruptan oluşmaktadır (Şekil 1. 10e). Bu örnek, çimlenme kapasiteleri aynı olan populasyonların (Şekil 1. 9a ve e) diğer yönlerden farklı özelliklere sahip olabileceğini de göstermektedir. Şekil 1. 9 daki c populasyonunda da çimlenme bakımından bir eş zamanlılıktan söz edilemez. Çünkü populasyondaki her tohum çimlenmesini farklı zamanlarda tamamlamıştır. Aynı durum şekil daki c populasyonu için de geçerlidir. Diğer yandan şekil 1. 9 daki a ve b populasyonlarında çimlenme bakımından yüksek bir eş zamanlılık özelliği vardır. Şekil daki a ve b eğrilerinin dikliği ise, bu populasyonlardaki tohumların büyük kısmının çok kısa bir sürede çimlendiklerini göstermektedir. Şekil a bakıldığında eğrilerin pozitif bir eğime sahip olduğu görülmektedir. Çünkü çimlenme periyodunun ilk yarısında daha fazla sayıda tohum çimlenir. Yani çimlenme olayında genelde normal bir temporal (zamansal) dağılım yoktur. ġekil Çimlenmenin zamana göre dağılımı. b eğrisindeki dikey çizgi çimlenme periyodunun tam ortasını ifade etmektedir. Tohum populasyonları benzer çimlenme kapasitesine ve çimlenme zamanı bakımından bir senkronizasyona sahip olmalarına rağmen (Şekil 1. 9a ve b; şekil 1. 10a ve b), çimlenme hızları farklı olabilir. Çimlenme hızı, tohumların ekilmesinden çimlenmenin tamamlanmasına 12

13 kadar geçen süre olarak tanımlanabilir. Bu değer tek bir tohum için belirlenir ancak bir populasyonun tamamı için ifade edilir. Buna göre şekil 1. 9 daki a ve b eğrileri, iki populasyonun çimlenme hızlarının çok farklı olduğunu göstermektedir. Eğrilerin paralelliği ise iki populasyonun sadece çimlenme zamanlarının benzer olduğu anlamına gelir. Yani çimlenme hızları benzer olan populasyonların, çimlenme bakımından sergiledikleri eş zamanlılık özelliği veya çimlenme kapasiteleri farklı olabilir. Sonuç olarak bir tohum populasyonunun çimlenme bakımından sergilediği davranış birçok kantitatif faktöre bağlıdır. Bu konuda yapılacak değerlendirmeler de sadece çimlenme yüzdesi veya çimlenme hızı ile sınırlı olamaz TOHUMUN YAPISI Tohum, döllenmiş bir ovülden meydana gelir. Angiosperm (kapalı tohumlu) bitki tohumları gelişimleri boyunca farklı kısımlara sahiptirler. Bu yapılardan bir tanesi, embriyo kesesindeki yumurta hücresinin, polen tüpü nukleuslarından birisi ile döllenmesi sonucu oluşan embriyodur. Endosperm ise embriyo kesesindeki iki polar nukleus ile polen tüpündeki diğer nukleusun birleşmesi sonucu oluşur. Nusellusun gelişmesi ile perisperm, integümentlerin bir veya ikisinin birden gelişmesi ile tohum kabuğu meydana gelir. Olgunlaşmış tüm tohumlarda bir embriyo ve testa bulunmasına rağmen, endosperm ve perispermin varlığı türe göre değişebilir. Bazen testa da ilkel bir formda bulunabilir. Bu durumda en dıştaki yapı perikarp veya ovaryum duvarından meydana gelen meyve kabuğudur. Yani yayılmayı sağlayan organ tohum değil, meyvedir (Tablo 1. 1). Gymnosperm (açık tohumlular) tohumlarında ise erkek nukleusla polar nukleusun birleşmesiyle triploid endosperm oluşumu görülmez. Bu bitkilerde olgun tohumlardaki depo dokusu modifiye olmuş haploid bir megagametofittir (Şekil 1. 11). Tohum oluşumu nadiren apomiksis denilen eşeyli olmayan bir yolla da meydana gelebilir. Bu olay Taraxacum officinale (kara hindiba) ve Compositae familyasındaki bazı türlerde görülür. 13

14 14

15 Tablo Yayılma organı görevi yapan birimlere örnekler. TOHUM Baklagiller (bezelye ve fasulye) Pamuk Kolza Ricinus communis (gene otu) Domates Kabak Kahve MEYVE Tahıllar (karyopsis) Marul, ayçiçeği ve Asteraceae üyeleri Dişbudak ağacı ve kara ağaç (samara) Fındık ve meşe ağacı (fındıksı meyve) Düğün çiçeği ve lale EMBRĠYO Embriyo, embriyo ekseni ile bir veya daha fazla kotiledondan meydana gelir. Radikula olarak bilinen embriyonik kök, kotiledonların bağlı olduğu hipokotil ve plumula olarak bilinen ilk gerçek yaprakları da taşıyan gövde ucu, eksen vasıtasıyla birleşir. Dikotil embriyosunda bu kısımlar ayırt edilebilir (Şekil 1. 11B). Ancak monokotil tohumlarında, özellikle de Poaceae familyası üyelerinde bu kısımların tanımlanması oldukça zordur. Burada tek bir kotiledon oldukça indirgenmiştir ve skutellumu oluşturmak üzere modifiye olmuştur. Kotiledonun bazal kısmındaki kılıf, ilk gerçek yaprakları saran koleoptili oluşturmak için uzamıştır ve mısır gibi bazı türlerde hipokotil modifiye olarak mezokotili oluşturmuştur. Koleorhiza ise hipokotilin, radikulayı saran taban kısmı olarak bilinir (Şekil 1. 11A ve C). Tohum içindeki embriyonun şekli ve boyutu farklılık gösterir. Olgun tohumlarında iyi gelişmiş bir endosperme sahip olan mono ve dikotil türlerde, embriyonun tohum içinde işgal ettiği bölge çok azdır. Endosperme sahip olan tohumların kotiledonları, fazla besin depo etmediği için düz ve incedir. Birçok baklagilde olduğu gibi endospermi olmayan tohumlarda kotilodonlar besinlerin depo edildiği bölgedir ve tohum kütlesinin hemen hemen tamamını oluşturur. Endospermi olmayan, kabak gibi epigeik türlerin kotiledonları çimlenmeden sonra toprak üzerine çıkarak fotosentez yapmaya başlar. Bu nedenle hipogeik türlere göre daha az besin içerir. Birçok parazit bitkinin tohumlarında kotiledon bulunmazken, birçok kozalaklı bitkinin embriyosunda birçok kotiledon vardır. 15

16 Bir tohumda birden çok embriyonun bulunmasını ifade eden poliembriyoni, Poa alpina, Citrus sp. ve Opuntia ssp. gibi birçok türde görülür. Bu durum, döllenmiş yumurta hücresinin birçok zigot oluşturmak üzere parçalara ayrılması, bir veya daha fazla sinergit nukleusunun gelişmesi, nusellus başına birçok embriyo kesesinin bulunması, apomiksis ve nusellusun diploit hücrelerinden tesadüfî olarak embriyo oluşumundan kaynaklanır. Linum usitatissimum da ise bazı embriyolar haploittir. Ana bitkiden ayrılan tüm tohumlarda olgun embriyo bulunmayabilir. Orkide tohumlarında çok küçük bir embriyo bulunur ve endosperm taşımaz. Fraxinus türlerinde ve Heracleum sphondylium da embriyonun son gelişim evreleri, tohumun ortama yayılmasından sonra meydana gelir EMBRĠYONĠK OLMAYAN DEPO DOKULARI Birçok türde, ovulün nusellar dokusundan meydana gelen perisperm gelişmez. Kahve ve Yucca gibi birçok türde de perisperm tohumun en önemli depo bölgesidir. Bu tohumlarda endosperm bulunmaz. Ancak bazı bitkilerde de perisperme göre daha az veya daha fazla gelişir. Pancar tohumlarında ise endosperm bulunmaz ancak embriyoda hem perisperm hem de kotiledonlar bulunur ve önemli miktarda besin içerir. Tohumlar olgun evrede iyi gelişmiş bir endosperm bulundurup bulundurmamalarına göre endospermik ve endospermik olmayan tohumlar olarak sınıflandırılabilir. Bazı tohumlarda ise endosperm bulunmasına rağmen, bunlar endospermin gelişim sırasında kaybolması nedeniyle endospermik olarak kabul edilmez. Soya fasulyesi ve yer fıstığında durum böyledir. Bazen de maruldaki gibi endosperm sadece birkaç hücre tabakası kalınlığındadır. Bunun gibi durumlarda diğer yapılar, çoğunlukla da kotiledonlar temel depo dokularıdır. Tahıllarda, hurmada ve endospermik baklagillerde (çemen otu, keçiboynuzu) ise endosperm tohumda oldukça büyük bir kütleye sahiptir ve temel besin kaynağıdır. Tahıllarda ve endospermik baklagillerde endospermi oluşturan hücreler, olgun tohumlarda ölüdür. Çünkü bu hücrelerin sitoplazmaları gelişim sırasında tamamen besin maddeleri ile dolar. Ancak endospermin dış kısmındaki ilk birkaç hücre tabakası canlıdır ve besin depo etmekten çok bazı enzimlerin salgılanmasından ve bunların mobilizasyonundan sorumlu olan bu tabakaya alevron tabakası denir. Oldukça yüksek su tutma kapasitesine sahip olan endospermin iki yönlü bir fonksiyonu 16

17 vardır. Endosperm hem çimlenme sırasında büyüyen embriyoya besin sağlar hem de aynı dönemde su dengesini düzenler. Hindistan cevizinin endospermi ise hücresel bir yapıya sahip değildir ve sıvıdır TESTA Testa anatomisinde önemli varyasyonlar göze çarpar ve farklı genus ve türler arasındaki farkları belirlemek amacıyla taksonomik olarak kullanılır. Dolayısıyla testa yapısıyla ilgili çalışmalar özel bir konudur. Testa, embriyo ve çevre arasındaki tek koruyucu bariyer olduğundan önemlidir. Ancak bazı tohumlarda bu rolü tohum kabuğu, hatta endosperm üstlenmiştir. Testanın koruyucu bir role sahip olduğu dış ve iç yüzeyindeki kutikula tabakasından anlaşılabilir. Bu tabakaya genelde mum ve yağlar nüfuz etmiştir ve bir veya daha çok tabakalı, kalın çeperli, koruyucu hücreler içerir. Kalsiyum oksalat, silisyum veya karbonat içeren kristalli hücre tabakaları birçok türün tohumlarının testasında bulunur ve tohumlara karşı gerçekleşebilecek böcek saldırıları için caydırıcı bir rol oynar. Testa yapısında müsilaj içeren hücreler de bulunabilir. Bunlar su ile temas edince şişerler ve tohum çevresinde suyu tutan bir bariyer oluştururlar. Bu bariyer aynı zamanda oksijen alınımını da önler. Bazı tip testalarda embriyo ile çevre arsındaki gaz alışverişini kısıtlayan bazı yapısal özellikler de bulunur. Birçok legümende olduğu gibi testa, suya büyük ölçüde geçirgen değildir ve iç kısımlardaki dokuların büyüme ve metabolizmalarını da önleyici etkiye sahiptir. Normalde testaların sahip olduğu renkler ve yapısal özellikleri ayırt edici birçok özelliğe sahiptir. Ancak bazen bu özellikler taksonomik olarak kullanılamaz. Çünkü testanın bu tipik özellikleri bazı çevresel ve genetik faktörlerle değişebilir. Ana bitkiden ayrıldığında testa üzerinde hilum denilen ve tohumun funikulusa bağlandığı bölgeyi gösteren bir iz oluşur. Birçok tohumun testasındaki hilumun bir ucunda bulunan küçük deliğe mikropil denir. Bazen de tohumun yayılmasını kolaylaştırmak amacıyla testa üzerinde tüy veya kanat oluşumu gözlenir. Yayılmayı sağlayan bu yapılar tohum kabuğu modifikasyonlarıdır. Hilum bölgesinin dışa doğru büyümesiyle bazı tohumlarda iç ve dış ortam arasında suyun hareketini sınırlayan strofiol ve içerdiği kimyasallarla hayvanları kendine çeken ve böylece yayılımı kolaylaştıran aril denen yapılar oluşur (Şekil 1. 12A ve B). Fasülyede aril mikropil ile bağlantılıdır ve karunkula adını alır. Arillerin şekilleri de büyük varyasyon gösterir. Şerit, kadeh, yükselti veya topuz şeklinde olabilir ve genelde parlak renklere sahiptir (Şekil 1. 12C ve D). 17

18 ġekil Farklı tohumlarda karunkula ve aril adı verilen testa türevleri (A) Jatropha subaequiloba, (B) Ricinus communis, (C) Podocarpus latifolius, (D) Myristica fragrans TOHUM DEPO KAYNAKLARI İnsanların besin tüketiminin yaklaşık % 70 i başta tahıl ve baklagiller olmak üzere doğrudan tohumlarla karşılanır. Kalan % 30 luk kısmının çoğunun kaynağı ise tohumlarla beslenen hayvanlardan sağlanır. Bu durumda tohumların kimyasal, yapısal ve besinsel içeriği ile ilgili bol miktarda araştırmanın olması bir sürpriz değildir. Tohumların kimyasal içeriği ile ilgili bilgilerin çoğu besin kaynaklarımızın büyük kısmını oluşturan ve endüstriyel amaçlı hammadde sağlamada kullanılan kültür bitkilerine aittir. Kültür bitkilerinin yabani türlerine ait olan bilgiler de sınırlıdır. Ancak yeni besin kaynaklarına ve geliştirilmiş genetik çeşitliliğe olan ilgi yüzünden, yabani bitki tohumlarına olan ilgi de artmaktadır. Tüm bitki dokularında bulunan normal kimyasal bileşenlere ek olarak, tohumlarda erken fide dönemi için gerekli olan diğer bazı depo maddeleri de bulunur. Bunlar özellikle karbohidratlar, yağlar ve proteinlerdir. Bunun dışında tohumlarda az ama yine de önemli olan 18

19 fitin gibi önemli depo maddeleri de bulunur. Bunlar arasında alkoloidler, lektinler, proteinaz inhibitörleri, fitin ve rafinoz gibi bazıları pek sevilmeyen ve hatta zehirli olduğu düşünülen bileşiklerdir. Tohumların kimyasal içeriklerinin belirlenmesinde en etkili faktör genetik yapıdır ve bu nedenle hem türler hem de aynı türün varyete veya kültivarları arasında bile önemli farklar bulunur. Kimyasal içeriğin değişmesine, azot gübrelemesi ve ekim tarihi gibi tarımsal uygulamalarla tohum gelişmesi ve olgunlaşması sırasında hüküm süren çevresel faktörler de neden olabilir. Ancak bunlar daha küçük değişimlere yol açarlar. Bitki ıslahçıları da çaprazlama ve seksiyon yoluyla birçok tohumun içeriğinde verimi artırmaya yönelik manipulasyon yapabilirler. Örneğin birçok modern tahıl ve baklagil kültivarı, daha eski kültivarlara veya kendi atalarına göre daha yüksek oranda besin materyali depo ederler. Ancak yine de bazı besin eksiklikleri düzeltilemez. Örneğin tahıl ve baklagillerin depo proteinlerinin kompozisyonu, basit mideli, yani monogastrik hayvanların ihtiyaç duyduğu amino asitleri içermez. Tablo 1. 2, çeşitli besin maddelerinin embriyonun farklı kısımlarında, hatta embriyo dışı yapılarda, bazen de birden fazla bölgede farklı miktarlarda bulunabileceğini; farklı kısımların özellikle belli besin maddelerini içerdiğini gösterir. Bazen de mısırda olduğu gibi, endospermin boynuza benzeyen kısmında proteinlerin, unlu kısmında ise nişastanın yoğun olarak bulunduğu gözlenir (Tablo 1. 3). Kolza da ise kotiledon ve hipokotilde bulunan yağın erusik asit ve palmitik asit içeriği farklıdır. Yani aynı maddenin farklı bölgelerdeki kimyasal içeriği de farklı olabilir KARBOHĠDRATLAR Birçok kültür bitkisinin tohumlarındaki depo maddesi karbohidratlardır. Nişasta, tohumların yapısında rastlanan en yaygın karbohidrattır (Tablo 1. 2). Ancak bazen hemiselüloz, amiloidler ve rafinoz serisinden olan oligosakkaritler de bulunabilir ve temel karbohidrat rezervini oluşturabilirler. Depo formunda olmayan diğer karbohidratlar ise seluloz, pektin ve müsilajdır. Nişasta tohumlarda iki benzer formda depolanır. Bunlar amiloz ve amilopektindir. Her ikisi de glukoz polimeridir. Amiloz kadar glukoz içeren düz zincirli bir polimerdir. Glukoz molekülleri birbirine α-1,4 glikozidik bağlarla bağlanır (Şekil 1. 13A). Amilopektin ise 10² - 10³ kat daha büyük bir moleküldür. α-1,6 bağları ile birbirine bağlanan birçok amiloz zinciri içeren ve dallanmış bir moleküldür (Şekil 1. 13B). Nişasta, nişasta tanecikleri olarak bilinen farklı hücre altı yapılarda depolanır. 19

20 Tablo Bazı önemli ekonomik bitki türlerinin tohumlarındaki depo maddeleri a. Tahıllar Ortalama (%) Protein Yağ Karbohidrat b Ana depo organı Arpa 12 3 c 76 Endosperm Mısır Endosperm Yulaf Endosperm Çavdar Endosperm Buğday Endosperm Baklagiller Diğerleri Bakla Kotiledonlar Bezelye Kotiledonlar Fıstık Kotiledonlar Soya Kotiledonlar Gene otu Endosperm Palmiye Endosperm Çam Megagametofit Kolza Kotiledonlar a Crocker and Barton (1957), Winton and Winton (1932) b Çoğunlukla nişasta c Tahıllarda yağ, skutellumda depo edilir Tablo Mısır (cv. Iowa 939) tohumlarının farklı kısımlarında bulunan depo maddelerinin miktarı a. Depo maddesi Tohum Endosperm Embriyo Nişasta Yağ Protein a Earle et al. (1946) Bunların birçoğu % amilopektin ve % amiloz içerir. Bazı tahıl mutantlarında bu oranlar daha fazla veya az olabilir. Bazı mısır mutantlarındaki nişasta taneleri ise bu polimere sahip değildir. Buruşuk bezelyede ise nişastanın 2/3 ü veya daha fazlası amilozdan ibarettir. Düz bezelyede ve diğer legümenlerde ise bu oran 1/3 dür. 20

21 ġekil Nişastanın kimyasal yapısına katılan birimler (A) Amiloz, (B) amilopektin; (C) galaktomannan molekülünün kimyasal yapısı. Nişasta tanelerinin görünümü de türe özgüdür. Örneğin arpada yuvarlak, mısırda köşeli, çalı fasülyesinde elips şeklindedir (Şekil 1. 14). Taneciğin şekli büyük ölçüde amiloz içeriği ile ilgilidir. Amiloz içeriği ne kadar fazla ise tanecik de daha yuvarlaktır. Aynı tohum içindeki taneciklerin boyutları µm arasında değişir. Pirinç endosperminde çapı 40 µm ye yaklaşan oval tanecikler ve sitoplazmik proteinler arasında gömülü durumda olan ve çapları 10 µm den küçük çok sayıda tanecik bulunur. Arpada ise yuvarlak olan taneciklerin bir kısmı küçük bir kısmı ise daha büyüktür. 21

22 ġekil (A) Arpa ve (B) buğdayda nişasta tanelerinin genel görünümleri. Hemiselulozlar ise bazı endospermik legümen tohumlarındaki ana depo karbohidratlardır. Genelde önemli miktarda hemiseluloz bulunan dokularda nişasta yoktur. Hurma ve kahvenin perispermi veya endospermi oldukça serttir. Çünkü hemiselülozlar oldukça kalın hücre çeperlerinde bulunur. Yani bunlarda hemiselüloz depolayan dokular yoktur. Hemiselülozların çoğu mannanlardan ibarettir. Bunlar birbirine β-1,4 bağlarıyla bağlanan uzun zincirli mannoz polimerleridir. Ayrıca bu zincire α-1,6 bağlarıyla bağlanan az miktarda şeker de içerir (Şekil 1. 13C). Örneğin galaktomannanlarda bu yan zincirler galaktozdan oluşur. Galaktoz yan 22

23 zincirlerinin sayısı, galaktomannon kararlılığını etkiler. Bu sayı arttıkça molekülün kalıcılığı ve kararlılığı da artar. Legümenler içerisinde mannoz/galaktoz oranı aynı zamanda taksonomik bir kriter olarak kullanılır. Glukomannanlarda ise mannozun büyük kısmı yerine glukoz bulunur. Bunlar özellikle Liliaceae ve Iridaceae familyası üyeleri gibi monokotillerde sadece endospermde bulunurlar. Endosperm hücrelerinin kalınlaşmış çeperlerinde lokalize olmuşlardır. Hemiselüloz grubundan olan diğer bir bileşik ise ksiloglukanlardır. Bunların aslında galaktoksiloglukanlar olarak adlandırılması daha uygundur. Çünkü β-1,4 bağlarına sahip düz bir glukoz omurgası ile bunlara bağlı kısa ksiloz yan zincirlerinden oluşurlar. Belirli dikotil familyalarındaki embriyoların kotiledon ve endosperm hücrelerinin çeperlerinde bulunur. Ksiloglukanlar, nişasta boyaları ile pozitif reaksiyon verdikleri için amiloidler olarak da adlandırılır. Serbest şekerler nadiren depo karbohidratları olarak bulunurlar. Ancak nişasta içermeyen akçaağaç olgun tohumlarında kuru ağırlığın yaklaşık % 11 ini oluştururlar. Sukroz gibi disakkaritlerle, oligosakkaritler ise embriyo ve depo dokularda çok düşük miktarda bulunur. Yapılan çalışmalar, bunların hem çimlenme hem de erken fide evresinde solunum için gerekli şekerlerin önemli bir kaynağı olduğunu göstermiştir YAĞLAR (NÖTRAL LĠPĠDLER) Bunlar kimyasal olarak 20 C nin üzerinde çoğu sıvı olan triaçilgliserollerdir. Bazı tohumlarda önemli miktarda fosfolipid, glikolipid ve steroller de bulunur. Triaçilgliseroller suda çözünmezler. Ancak eter, kloroform ve benzen gibi organik çözücülerde çözünürler. Gliserol ve yağ asitlerinin esterleridir. Yağ asitleri C atomlarının ve zincirdeki çift bağların sayısına göre tanımlanırlar. Doymuş yağ asitleri aynı sayıda C atomuna sahiptirler ve çift bağ içermezler. Örneğin 16 karbon atomuna sahip olan ve çift bağ taşımayan palmitik asit (16:0) yağlı tohumlarda en yaygın olarak bulunan yağ asididir. Ancak tohumlarda ağırlıklı olarak doymamış yağ asitleri bulunur. Örneğin kolza yağının % 60 ından fazlası oleik asit (18:1; Δ9) ve linoleik asittir (18:2; Δ9,12). Daha az rastlanan yağ asitlerinden erusik asit (22:1; Δ13) bazı kolza çeşitlerinin tohumlarında bulunur. Ancak günümüzde genetik manipülasyonlarla elde edilen ve yağındaki erusik asit miktarı minimuma indirilen çeşitler kullanılmaktadır. Ricinus communis tohumlarının yağındaki ana bileşen olan risinoleik asit (12-hidroksi 18:1 Δ9) ve Umbelliferae 23

24 familyası üyelerinin tohumundaki yağın % 85 ini oluşturan petroselonik asit (18:1; Δ6) bunlar arasında sayılabilir. Kına ağacı (jojoba) tohumlarındaki depo lipitleri ise uzun zincirli yağ asidi ve alkollerin mumlu esterleridir ve sıvıdırlar. Endüstride yüksek basınç altında yağlama malzemesi olarak kullanılır. Bazı ekonomik bitkilerin katı ve sıvı yağlarının yağ asidi içeriği tablo 1.4 de verilmiştir. Yemeklik yağ ve margarin yapımında kullanılan mısır ve ayçiçeği yağı, linoleik asit içeriği yüksek olduğu için bu amaçlarla kullanılır. Tohumların sıvı yağlarının hidrogenasyonu bunların erime noktasının değiştirir ve linoleik asit miktarını azaltır. Bu üçlü doymamış yağ asitleri bekletilirse okside olurlar ve acılaşırlar. Hidrogenasyondan sonraki dönemde yağ asitlerinin doymamışlık derecesi bunlardan oluşan yağın oda sıcaklığında katı mı yoksa sıvı mı olacağını belirler. Bitkisel yağların beslenmede daha çok kullanılması sağlık açısından önemlidir. Çünkü hidrogenasyondan sonra doymamış yağ asidi miktarı yine de yüksektir. Hayvansal yağlarda oleik asit miktarı yüksek olduğundan bunların hidrogenasyonu hızlı bir doygunluğa neden olur. Triaçilgliseroller de tohumlarda yağ cisimcikleri denilen farklı organellerde depo edilirler. Bunların çapı türe bağlı olarak 0,2-6 µm arasındadır. Triaçilgliserol miktarı fazla olan R. communis gibi bitkilerin tohumlarında yağ cisimcikleri hücrelerin neredeyse tamamını işgal eder. Tablo Farklı bitkisel kaynaklardan elde edilen ticari yağların yağ asidi içeriği a. Türler Palmitik (16:0) Stearik (18:0) Oleik (18:1) Linoleik (18:2) Linolenik (18:3) Ayçiçeği Mısır Soya Kolza Fıstık Palmiye Keten Domuz yağı a Weber (1980), Miller (1931) 24

25 PROTEĠNLER Osborne nin sınıflandırmasına göre tohum proteinleri, çözünürlük özelliklerine bağlı olarak 4 gruba ayrılırlar: 1- Albuminler: Suda ve nötr ph ya sahip seyreltik tampon çözeltilerde çözünürler. 2- Globulinler: Tuzlu çözeltilerde çözünürler, ancak suda çözünmezler. 3- Glutelinler: Seyreltik asit veya baz çözeltilerinde çözünürler. 4- Prolaminler: %70 90 lık alkolde çözünürler. Bu sınıflandırma 20. yüzyılın başlarında yapılmıştır. Bazı proteinlerin çözünebilmesi için özel ekstraksiyon yöntemleri gerektiğinden çok ideal olmasa da yine de kullanılmaktadır. Bu protein sınıfları ile yapılan çalışmaların çoğunda yenilebilir tohumlar kullanılmıştır. Dolayısıyla protein içerikleri hem insan hem de hayvan beslenmesi için önemli olan tahıl ve baklagil tohumları öne çıkmıştır. Tahıl tohumlarındaki protein yüzdesi insan metabolizmasının ihtiyacını karşılayamaz. Tahıl ve baklagillerdeki amino asitler de insan ve hayvanların uygun şekilde beslenmesini sağlayamaz. Tahıllarda bulunan ana protein sınıflarının yaklaşık oranları tablo 1.5 de verilmiştir. Buna göre mısır, arpa ve sorgum endospermindeki ana depo proteini prolamin tipindedir. Prolaminler sadece monokotil bitkilerde bulunurlar. Buğdayda glutelin, yulafta ise globulinler baskındır. Globulinler tahıl embriyolarında bulunan depo proteinlerdir. Ancak bir tahıl tanesindeki toplam protein rezervinin çok küçük bir kısmını oluştururlar. Tahıl tanelerindeki proteinlerin amino asit içerikleri de oldukça farklıdır (Tablo 1. 6). Albuminler ve globulinler spesifik amino asitler bakımından önemli bir eksiklik sergilemezler. Bu nedenle yulaf iyi bir diyet besinidir. Ancak prolaminlerin fazla miktarda bulunduğu arpa ve mısır tanelerinde lizin çok az prolin, glutamat ve glutamin fazla bulunur. Günümüzde mısır ve arpada lizin miktarını artırmaya yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bu şekilde elde edilen mısır ve arpa mutantları (opaque-2 ve hiproly) vardır. Bunlar aynı zamanda daha az prolamin içerirken, lizin bakımından zengin olan glutelinleri daha fazla içerirler. Dolayısıyla amino asit içeriği de farklıdır. 25

26 Tablo Bazı tahılların protein içeriği ve bazı depo proteinlerinin yaygın adları a. Tahıllar Albumin Globulin Prolamin Glutelin Buğday (gliadin) 46 (glutenin) Mısır (zein) 39 Arpa (hordein) 23 (hordenin) Yulaf (avenin) 23 Pirinç (orizin) 80 (orizenin) Süpürge darısı a Payne and Rhodes (1982). Depo proteinleri genelde oligomeriktir. Yani birbirinden ayrılabilen iki veya daha fazla alt birimden oluşur. Bu alt birimlerin her biri birçok polipeptit zincirinden oluşabilir. Homolog olan alt birimlerin amino asit kompozisyonu büyük ölçüde benzerdir. Örneğin mısırın prolamin fraksiyonu olan zein iki tane büyük (23 ve 21 kda) ve bir tane küçük (13.5 kda) alt üniteden oluşur. Bu alt üniteler moleküler yüklerine göre ayrılırsa yaklaşık 30 polipeptitten oluştukları görülür. Buğdaydaki prolamin grubu proteini olan gliadinde ise α, β, γ ve ω olmak üzere 4 ana alt ünite ve 46 farklı polipeptit bulunur. Buğday glutelinleri ise daha kompleks yapıdadır. Dolayısıyla depo proteinlerini basit birer protein olarak düşünmek yanlıştır. Her biri kompleks bir yapıya sahiptir ve yapıyı oluşturan her protein disülfit bağları, hidrojen bağları, iyonik bağlar ve hidrofobik bağlarla bağlıdır. Tahıllardaki prolamin ve glutelinler arasında evrimsel bir ilişki de vardır. Örneğin buğday ve arpada kükürt yönünden zengin, fakir ve yüksek moleküler ağırlıklı olmak üzere 3 tip prolamin bulunur. Bunlar benzer amino asit sıraları olan bölgelere (domain) sahiptir. Örneğin kükürt yönünden zengin ve fakir olanlarda, çok miktarda prolin içeren bölgeler vardır. Dolayısıyla bunların evrimsel orijini de aynı olabilir. Benzer şekilde belli bölgelerde de sistein yüksek oranda bulunur. Bu bölgeler de yine amino asit içeriği benzer olan bölgelerle sınırdaştır. Kükürt yönünden zengin ve yüksek moleküler ağırlığa sahip olan proteinlerin hepsinde de A, B ve C bölgeleri bulunur. Ancak kükürt bakımından fakir prolaminlerde sadece C bölgesi vardır. Buna göre her üç proteinin de A, B ve C bölgelerine sahip 90 amino asitlik bir ata proteinden türediği düşünülebilir. Evrim mekanizması boyunca, kükürt bakımından zengin ve yüksek moleküler ağırlıklı prolaminlerindeki ana değişim A, B ve C bölgeleri arasına girmesidir. 26

27 Tablo Yulaf, normal mısır, normal arpa, mutant mısır (opaque-2) ve mutant arpa (hiproly) tohumlarındaki aminoasitlerin yüzde miktarları a. Amino asit Mısır Arpa Normal Opaque-2 Normal Hiproly Yulaf Alanin 10 7,2 3,8 4,3 5 Arjinin 3,4 5,2 4,6 4,9 6,9 Aspartik asit 7 10,8 6 6,8 8,9 Sistein b 1,8 1,8 1,1 0,9 1,6 Glutamik asit 26 19,8 26,8 23,9 23,9 Glisin 3 4,7 3,6 3,9 4,9 Histidin 2,9 3,2 2,1 2,2 2,2 İzolösin b 4,5 3,9 3,7 3,9 3,9 Lösin b 18,8 11,6 6,7 7,1 7,4 Lizin b 1,6 3,7 3,4 4,2 4,2 Metionin b 2 1,8 1,2 1,5 2,5 Fenilalanin b 6,5 4,9 5,9 5,9 5,3 Prolin 8,6 8,6 12,6 11,3 4,7 Serin 5,6 4,8 4,3 4,4 4,2 Treonin b 3,5 3,7 3,4 3,6 3,3 Triptofan b 0,3 0, Tirozin b 5,3 3,9 2,8 2,8 3,1 Valin 5,4 5,3 4,8 5,3 5,3 a Frey (1977) b Hayvansal organizmaların sentezleyememesi yüzünden beslenme yoluyla sağlanması gereken esansiyel aminoasitler Tekrarlayan bölgeler kükürt yönünden fakir olan prolaminlerde artarken A ve B de kaybolmuştur. Diğer tohum proteinlerinde de benzer durumlar söz konusudur. Bu proteinleri kodlayan genlerin sayısı da farklıdır. Örneğin buğdaydaki gliadin ve mısırdaki β-zeinin her biri 100 den fazla genle kodlanırken β, γ ve δ-zein için bir veya iki gen bulunur. Baklagil tohumları da, tahıllardan sonra dünyadaki ikinci protein kaynağıdır. Sistein ve metionin gibi kükürt içeren amino asitler bakımından fakirdirler ancak lizin miktarı beslenme için uygundur. Bunlardaki ana depo proteini globulinlerdir ve toplam tohum azotunun yaklaşık % 70 ini oluştururlar. Globulinler moleküler ağırlıkları ve sedimantasyon özellikleri 27

28 farklı olan visilin ve legümin olmak üzere iki protein ailesi içerirler. Her iki aile de holoprotein yapısındadır. Yani alt birimlerden meydana gelmiştir. Örneğin 11S adı verilen depo globulini 6 alt birimden oluşan kda lık bir proteindir. Her alt birimde bir tane asidik bir tane de bazik polipeptid bulunur. Bunlar birbirine disülfit bağlarıyla bağlanmıştır. Bezelye gibi bazı legümenlerde ise proteinler proteolitik parçalanmaya uğrayabilirler. Soya fasülyesi ve P. vulgaris de ise bu görülmez. Baklagillerde depo proteinleri de çok sayıda gen tarafından kodlanır. Bu genlerin kodonlarındaki her değişim kodlanan proteinin amino asit sırasında farklılığa yol açar. Buna rağmen farklı türlerde yapılan çalışmalar visilin ve legümin proteinlerinin gen sıralarının benzer olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla farklı bitki türlerinde hem visilin hem de legümine ait bazı amino asit sıraları evrim boyunca korunmuştur. Yani bu proteinlerin de iki farklı ata genden türediği söylenebilir. Tüm tohum depo proteinleri beslenme açısından uygun özelliklere sahip olmayabilir. Bazıları enzim inhibitörü olarak rol oynar ve hayvanların sindirim sistemindeki hidrolazların aktivitesini azaltırlar. Bir glikoprotein olan lektinler, hayvan hücrelerinin yüzeyine bağlanarak, örneğin eritrositlerde, aglütinasyona yol açabilirler. Canavalia ensiformis tohumlarındaki konkanavalin A bu özelliğe sahiptir. Bu nedenle lektinler bazen fitohemaglütininler olarak adlandırılır. Ricinus communis deki risin D ve Abius precatorius deki abrin ise oldukça zehirlidir. Mandelolitril liyaz (MDL), siyah kiraz (Prunus serotina) tohumlarının endospermindeki protein cisimciklerinde bulunur ve siyanogenik (HCN oluşturan) disakkarit olarak tanımlanan amigdalinin parçalanmasını sağlayan bir enzimdir. Bu enzim, dokuların bir patojen saldırısına uğraması durumunda savunma sağlaması bakımından HCN oluşturan tohumlarda önemli olabilir. Birçok tohumda bu tip tehlikelere karşı kullanılan proteinler bulunur. Örneğin yabani P. vulgaris de arselin adı verilen ve böceklere karşı savunma sağlayan bir glikoprotein bulunur. Ancak bu savunma normal P. vulgaris de bir α-amilaz inhibitörü ile sağlanır. Birçok monokotil ve dikotil bitki tohumundan izole edilen kitinaz enzimi mantarlara karşı korunmayı sağlar. Bu enzimlerin bazıları hem depo proteini hem de savunma olmak üzere ikili fonksiyona sahiptir. 28

29 Tohum depo proteinleri genelde protein cisimcikleri denilen özel hücresel organellerde depo edilir. Bunların çapı µm olabilir ve en azından gelişme sırasında tek tabakalı bir zarla çevrilidir. Bazı tahıl tanelerlinde olgun evrede bu membran olmayabilir ve depo proteinin sitoplazmaya dağılmıştır. Ancak bu nadiren görülür. Bazı protein cisimcikleri bir zarla çevrili protein matriksinden ibarettir. Özellikle kristalloid ve globoidlerde mutlaka bir zar bulunur. Kalsiyum oksalat kristallerinden olan druz da ise bu nadirdir. Kristalloidler suda veya tampon çözeltilerde çözünme ve çözünür protein matriksine gömülü durumda olan yapılardır. Globoidler ise kristal yapıda değildir ve protein cisimciklerinde en yaygın olarak bulunan yapılardır. Bazı türlerde globoidleri içeren protein cisimleri tohumun sadece belli bir bölgesinde bulunur. Örneğin tahıllardaki alevron tabakası genelde globoidleri içerir. Globoidler ayrıca fitik asitin depolandığı bölgelerdir. Arpa alevron tabakasındaki protein cisimlerinin içinde, globoidden ayrı bir bölgede karbohidrat da bulunur. Protein cisimlerinin içinde çeşitli enzimler de vardır. Depo maddelerinin mobilizasyonu sırasında bu bölgeye diğer bazı enzimler de katılır ve yapı sonunda otolitik bir vakuole dönüşür. ġekil Ricinus communis (A) ve Brassica napus'da (B) protein cisimcikleri (P) (Hills, 2004). 29

30 Protein cisimleri sadece bir tip depo proteini içerirler. Bazı legümenlerdeki her protein cisimciğinde sadece albumin, visilin veya legümin bulunur. Ancak visilin ve legümini bir arada da taşıyanlar vardır. Mısırın nişastalı endospermindeki küçük protein cisimlerinde, büyüklere göre daha çok zein bulunur. Alevron tabakasındaki protein cisimleri ise ana depo proteinleri içermez (mısır ve diğer tahıllarda) FĠTĠN Fitin çözünmeyen K, Mg ve Ca tuzlarını içeren bir yapıya sahiptir. Daha önce bahsedilen depo maddelerine göre daha az miktarda bulunmasına rağmen, tohumlar için önemli bir fosfat ve mineral madde kaynağıdır. Ayrıca Fe, Mn, Cu ve nadiren Na da içerebilir (Tablo 1. 7). Tablo Farklı bitki türlerinin tohumlarındaki fitinin inorganik madde içeriği (% kuru ağırlık) a. Tür Mg Ca K P Fe Mn Cu Yulaf 0,4 0,19 1,1 0,96 0,035 0,008 0,005 Fındık 0,19 0,1 0,74 0, Soya 0,22 0,13 2,18 0, Pamuk 0,4 0,13 2,18 0,79 0,059 0,003 0,005 Arpa 0,16 0,03 0,56 0, Fasülye 0,11 0,05 1,13 0, Ayçiçeği 0,4 0,2 1 1, a Weber ve Neumann (1980) Fitin sadece globoidlerde bulunur. Ancak tohumdaki tüm protein cisimleri fitin içermez. Tüm hücrelerdeki fitinin içeriği de aynı değildir. Örneğin embriyonun radikula ve hipokotil bölgesindeki globoidlerde Ca miktarı maksimumdur. Ancak kotiledonlardaki globoidlerde Ca çok azdır. Fitik asit ve bunun türevleri genelde beslenme anlamında istenmeyen bileşiklerdir. Çünkü Zn, Ca ve Fe gibi önemli elementlere bağlanarak bunların sindirim sistemi tarafından absorbsiyonunu kısmen veya tamamen önlerler. Bu problemin boyutu henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Batı dünyasında insan gıdası olarak kullanılan bazı tohumlardaki fitik asit bazı işlemlerle uzaklaştırılmaktadır. Ancak üçüncü dünya ülkelerinde böyle bir uygulama yoktur. 30

31 DĠĞER BĠLEġENLER Tohumlarda daha çok sayıda bileşik bulunur. Ancak bunlar çimlenme ve bunu izleyen büyüme periyodunda kullanılmadığı için depo maddesi olarak değerlendirilmez. Azotlu bileşikler olan teobiomin, kafein, striknin, brusin ve morfin gibi alkoloidler ekonomik anlamda önemlidir. Bunların farmakolojik kullanımları söz konusudur.. Bu bileşikler doğada tohumların böcek ve hayvanlara karşı korunmasını sağlarlar. Soya fasülyesinden elde edilen sitosterol ve stimasterol de ilaç sanayinde kullanılır. Özellikle stimasterol progesteron hormonu üretiminde kullanılır. Bazı tohumlarda canavanin, hidroksitriptofan ve dehidroksifenialanin gibi protein yapısına girmeyen amino asitlerin miktarı çok fazladır. Bunların çimlenmeden sonraki dönemde azot kaynağı olarak kullanıldığı düşünülmektedir. Yine bazı tohumlarda bulunan amigdalin ve eskulin gibi glikozitlerin acı bir tadı vardır. Saponin ise hayvansal organizmalar için öldürücü etkiye sahiptir. Kumarin ve glukogenik asit gibi fenolik maddeler ve bunların türevi olan ferulik, kafeik ve sinapik asit testada bulunabilir. Bunlar hem bulundukları tohumun çimlenmesini hem de toprağa geçerek diğer tohumların çimlenmesini önlerler. Tohumlarda bulunan ve çimlenmeyi önleyen diğer bir madde de absisik asittir. (ABA). Yine tohumlarda çimlenmeyi uyaran giberellinler, oksinler ve sitokininler de bulunabilir. 31