Araştırma Makalesi Kahramanmaraş-Acı Biber (Capsicum annuum L.) Fidelerinde Mineral İçerik Üzerine Kadmiyumun Etkisi Esra KOÇ 1 *, Nuray ERGÜN 2, A. Sülün ÜSTÜN 1, Işıl ÖNCEL 1 1. Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara, Türkiye 2. Mustafa Kemal Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, 310434, Antakya, Hatay, Türkiye *ekoc@science.ankara.edu.tr Özet: Bu çalışmada, farklı konsantrasyonlarda kadmiyum uygulanan Kahramanmaraş-Acı (Capsicum annuum cv. Kahramanmaraş- Acı) biber çeşidi bitkilerinin yaprak ve gövdelerinde, kadmiyum (Cd), kalsiyum (Ca), potasyum (K) ve magnezyum (Mg) minerallerinin miktar analizleri araştırılmıştır. 6-7 yapraklı fideler 48 saat aralıkla 4 gün süresince 20, 40, 80, 100 µm CdCl 2 uygulamalarına maruz bırakılmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, biberin bazı fizyolojik olaylarının kadmiyumdan etkilendiğini göstermiştir. Bu çalışmada uygulamanın süresine bağlı olarak yaprak ve sürgünlerde Cd birikimi ve diğer minerallerin içeriğinin değişebileceği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kadmiyum, Mineral içeriği, Kalsiyum, Potasyum, Magnezyum, Capsicum annuum L. Effect of Cadmium on Mineral Component in Kahramanmaras-Hot Pepper (Capsicum annuum L.) Seedlings Abstract: In this study, in leaves and stem of pepper Kahramanmaras- Hot plant were exposed to different cadmium concentrations, cadmium (Cd), calcium (Ca), potassium (K) and magnesium (Mg) minerals analysis of amounts are investigated. 6-7 leafed seedlings were exposed to 20, 40, 80, 100 µm CdCl 2 applications for fourth days at 48 h intervals. The results of the present study showed that the physiological status of pepper was affected by CdCl 2. In this study, depending on the application period, Cd accumulation and may change the content of other minerals in leaves and shoots have been identified. Key Words: Cadmium, Mineral content, Calcium, Potassium, Magnesium, Capsicum annuum cv. Giriş Endüstriyel faaliyetler, kentsel atıklar, madencilik, tarımda gübre ve pestisit kullanılması, motorlu taşıtların egzoz gazları gibi pek çok kaynaktan çevreye yayılan ağır metaller, tarım ve ziraat ile ormancılıkta büyük problemler oluşturmaktadır. Ağır metallerin çevrede yaygın bir şekilde birikmesi, bitkiden insana hemen her çeşit organizma için boyutları giderek artan bir tehlike oluşturmaktadır (Kırbağ ve Munzuroğlu, 2006). Bu kapsamda, kadmiyum da havada, suda ve toprakta bulunan güçlü bir çevre kirletici olup, bitkiler, hayvanlar ve insanlar üzerinde toksik etkiye sahiptir. Kadmiyum bitkilerde strese neden olan en yıkıcı ağır metallerden birisidir (Hegedüs ve ark., 2001). Bu metalin yüksek hareketliliği, besin zincirine kolayca girmesini sağlamakta; sudaki yüksek çözünürlüğü nedeniyle, besin zinciri yoluyla kolaylıkla girdiği insan vücudunda, düşük konsantrasyonlarda bile, nörotoksik, mutajenik ve karsinojenik etkilere yol açmaktadır (Nogawa ve ark.,1987). Kadmiyum gibi ağır metallerin çevrede varlığı, bitki metabolizmasını da çeşitli düzeyde etkileyerek; dokuların içine alınım ve taşınma olaylarında görev yapan farklı mekanizmaları aktive etmektedirler (Owen, 1982). Bu sebeple, Cd un toksik etkisi ile ilgili yapılan bilimsel çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Toksisitenin sebepleri, fizyolojik ve moleküler boyutları üzerine yapılan çalışmalar, toksisiteye karşı oluşan fizyolojik cevaplar ve genel tolerans mekanizmalarına doğru ağırlık kazanmaya başlamıştır. Solanaceae familyasının bir üyesi olan biber, Amerika kıtasında kültüre alınan ilk bitkiler arasındadır. Bu bitkinin 30 kadar türü olduğuna dair bilgiler bulunmaktadır. Ancak bu türlerden Capsicum annuum L. dışında - 14 -
kalanların ekonomik anlamda sebze olarak tarımı yalnızca Amerika nın orta ve güney bölümlerinde yapılmaktadır (Abak ve Pitrat, 1981). Çalışma materyali olarak kullandığımız biber Dünya nın birçok ülkesinde önemli yer tutan bir sebzedir. Bir tarım bitkisi olan biber bütün Dünya da olduğu gibi Türkiye de de önemli besin maddeleri arasında sayılmakta ve geniş alanlarda tarımı yapılmaktadır. Ülkemizde Kahramanmaraş başta olmak üzere Gaziantep, Şanlıurfa, Diyarbakır, Adıyaman ve Hatay illerinde tarla tarımı, Antalya, İçel, Muğla ve İzmir illerinde ise seracılık üretiminde önemli bir yer tutmaktadır (Üstün, 1991). Bitkilerin stres faktörlerine karşı olan toleransında bitkinin türü, stres faktörü, maruz kalma süresi ve bitkinin doku veya organın yapısı etkilidir. Bitkilerin bu ağır metallere karşı hangi tepkiler verdiğini ve hangi mekanizmaları etkilediğini belirlemek oldukça önemlidir. Bu nedenle çalışmamızda Kahramanmaraş-Acı biber çeşidine Cd un (CdCl 2 ) farklı konsantrasyonlarının biber fidelerinin yaprak ve gövde kısımlarında Cd ve kalsiyum (Ca), potasyum (K) ve magnezyum (Mg) mineralleri üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Materyal ve Metot Bitkisel Materyal ve Uygulama Araştırmada bitkisel materyal olarak Kahramanmaraş-Acı (Capsicum annuum cv. Kahramanmaraş-Acı) biber çeşidi kullanılmıştır. Kahramanmaraş-Acı biber çeşidine ait tohumlar %0.75 lik sodyum hipoklorürde 1-2 dakika bekletildikten sonra steril su ile iyice yıkanarak yüzeysel sterilizasyonu yapılmıştır. Tohumlar bahçe toprağı-elenmiş yanmış ahır gübresi-ince kum (1:1:1 v/v/v) bulunan saksılara 5 cm aralık olacak şekilde hazırlanmış yuvaya bırakılmış ve gün aşırı sulanarak çimlenmeye bırakılmıştır. Sera şartlarında gelişen fideler 2-3 yapraklı evreye geldiklerinde içlerinde eşit büyüme gösterenler seçilmiş ve saksılarda seyreltme yapılmıştır. Yaklaşık iki aylık süre sonunda 6-7 yapraklı evreye erişen fideler bitkisel materyal olarak kullanılmıştır. Toplanan 2 aylık biber fidelerinin kökleri çeşme suyu ile yıkanarak, dezenfekte edilmiş, steril damıtık su ile yıkanmıştır. Fideler, su kültüründeki uygulamalar için, içlerinde 20, 40, 80µM ve 100 µm CdCl 2 bulunan 400 ml Hoagland besin çözeltisi içeren 500 ml lik cam kavanozlara yerleştirilmiş ve 22 ± 3 C, %60 nem, 14 saat ışık periyoduna ayarlanmış bitki yetiştirme odasına bırakılmışlardır. Deneylerimizde kontrol grubu olarak ağır metal içermeyen tam Hoagland çözeltisi kullanılmıştır. Uygulamayı takiben 2. ve 4. günde rastgele alınan bitki örneklerinin yaprakları ve gövdeleri derhal birbirinden ayrılarak sıvı azottan geçirilmiştir. Daha sonra naylon poşetlere konulup etiketlenmiş ve analize kadar -80 C de saklanmıştır. Kadmiyum ve Mineral İçeriğinin Ölçülmesi Hasat sonrası fideler gövde ve yaprak kısımları ayrılmak surety ile ağır metal ve mineral madde analizi yapılmak üzere 105 C lik etüvde 48 saat süre ile kurutulmuştur. Kuru bitki örneklerindeki Cd birikimi ve mineral madde analizi sülfürik asit-perklorik asit- nitrik asit ile yaş yakma yöntemi Varian Liberty Series II model Inductively Couples Plasma Atomic Adsorption Spectrophotometer (ICP-AES) de gerçekleştirilmiştir. Bitki örneklerinde Cd ağır metali ve mineral elementlerden kalsiyum (Ca), potasyum (K) ve magnezyum (Mg) analizleri gerçekleştirilmiştir (Ergün, 2010). Bulgular Uygulamayı takiben 2. ve 4. günlerde hem yaprak hem de gövde de tüm konsantrasyonlarda Cd miktarı kontrole göre artmıştır. En fazla Cd artışı gövde de olup, 20 µm CdCl 2 uygulamasında tespit edilmiştir (Şekil 1). - 15 -
Şekil 1. Biber bitkisinin yaprak ve gövdesinde kadmiyum uygulamasının Cd miktarı üzerine etkisi ( I: Kontrol, II: Uygulamayı takiben 4. günde, kontrol grubuna göre, en fazla K artışı yaprakta olup 80 µm CdCl 2, en çok azalma ise 100 µm CdCl 2 uygulamasında tespit edilmiştir. Gövdede en belirgin K artışı 4. günde 40 µm CdCl 2 uygulamasında belirlenmiştir (Şekil 2). Şekil 2. Biber bitkisinin yaprak ve gövdesinde kadmiyum uygulamasının K miktarı üzerine etkisi ( I: Kontrol, II: Uygulamayı takiben 2. günde, kontrol grubuna göre, yaprakta en fazla Ca artışı 80 µm CdCl 2, en fazla azalma ise 100 µm CdCl 2 uygulamasında tespit edilmiştir. Gövdede en fazla Ca artışı 2. günde 20 ve 80 µm CdCl 2 uygulamasında tespit edilmiştir. Kontrol grubuna göre en az Ca miktarı ise yine 100 µm CdCl 2 uygulamasında saptanmıştır (Şekil 3). Şekil 3. Biber bitkisinin yaprak ve gövdesinde kadmiyum uygulamasının Ca miktarı üzerine etkisi ( I: Kontrol, II: - 16 -
Biber fidelerinin yapraklarında uygulamayı takiben 2. ve 4. günlerde; 100µM CdCl 2 uygulamasında Mg miktarında azalma tespit edilmiştir. Buna karşın, uygulamanın 2. gününde 80µM CdCl 2, Mg miktarını artırmıştır (Şekil 4). Biber fidelerinin gövdelerinde uygulamayı takiben 2. günde 20µM CdCl 2 Mg miktarını artırırken, 100µM CdCl 2 uygulaması 2. ve 4. günlerde Mg miktarını azaltmıştır. Şekil 4. Biber bitkisinin yaprak ve gövdesinde kadmiyum uygulamasının Mg miktarı üzerine etkisi ( I: Kontrol, II: Tartışma Bitkilerde Cd, plazma membranlarının permeabilitesini etkileyerek besin alımına etki etmektedir. Kadmiyum ve diğer besin elementleri arasındaki etkileşimler bitkinin besin içeriğinde değişikliğe ve veriminde azalmaya neden olmaktadır (Zhang ve ark.,2002). Çalışmamızda da biber fidelerine Cd uygulamasına bağlı olarak mineral madde birikiminin değiştiği tespit edilmiştir. Benzer şekilde Gomez ve ark. (2013) yaptıkları çalışmada Pfaffia glomerata ya uygulanan yüksek konsantrasyonda Cd un esansiyel makro (Mg ve S) ve mikro (Zn, Fe, Mn ve Cu) elementlerin gövdedeki konsantrasyonunu azalttığını belirlemişlerdir. Biber fidelerinde yaprak ve gövdede Cd birikimini karşılaştırdığımızda gövdede daha fazla gerçekleştiği bulunmuştur. Xin ve ark. (2013) C. annuum L. kültürlerine Cd uygulayarak meyve, kök, gövde ve yapraklarda da Cd birikimini incelemişlerdir. Araştırıcılar özellikle köklerde Cd birikiminin daha fazla gerçekleştiğini ifade etmişlerdir. Obamate ve Umebayashi (2008) fasulye ve bezelyede yaptıkları çalışmada uygulanan Cd konsantrasyonundaki artışa bağlı olarak K konsantrasyonunda bir azalma olduğunu saptamışlardır. Benzer şekilde, çalışmamızda biber fidelerinin yapraklarında özellikle 100µM Cd uygulamasında K miktarında azalma olduğu belirlenmiştir. Sun ve Shen (2007) Cd stresi altındaki kabak bitkisinin yapraklarında Mg miktarında azalma olduğunu, buna bağlı olarak da kabağın büyümesinde bir azalma olduğunu belirlemişlerdir. Çalışmamızda ise özellikle 100µM Cd uygulamasında Mg miktarında kontrole göre azalma olduğu saptanmıştır. Bu sonuçlar özellikle 100µM Cd un toksik bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Cd uygulaması yapılan buğday fidelerinin sürgünlerinde Ca birikiminin Lii 667 çeşitlerinde kontrole göre arttığı, bununla birlikte Huabei 45-4 ve E81513 çeşidinde azaldığı bulunmuştur (Zhang ve ark., 2002). Çalışmamızda Cd un yüksek konsantrasyonları ile birlikte uzun süreli uygulanan Cd un gerek yaprak ve gerekse gövdede Ca içeriğinde azalmaya neden olduğu belirlenmiştir. Bu durum köklerden Ca mineralinin alımında mobil bir element olan Cd un Ca ile yarışması nedeniyle gerçekleşmiş olabilir. Çalışmamızda Cd un konsantrasyonun yansıra, uygulama süresine bağlı olarak da 4. mineral maddeleri etkilediği ve 4. günde özellikle Ca ve Mg miktarında azalma olduğu tespit edilmiştir. Ağır metallerin toksisite derecesi; metalin konsantrasyonuna, bulunuş formuna (metal, iyon, organik bileşik..vs), türlere, etki- uygulama - 17 -
süresine, bulunduğu yere vb. gibi faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Ağır metaller bitki dokularında aşırı biriktiği zaman canlılıkla ilgili çeşitli büyüme proseslerinin değişmesine sebep olur (Phalsson, 1989). Bunlara örnek olarak mineral beslenme (Costa ve ark.,1994), transpirasyon, fotosentez enzim aktivitesi nükleik asit yapısı, klorofil biyosentezi gibi bitkinin canlılık olaylarının değişmesine sebep olur. Günümüzde Dünya nüfusunun giderek artması, uygun olmayan tarım alanlarından en verimli şekilde yararlanılması konusunda araştırmaların yapılması gereğini ortaya çıkarmıştır. Çalışmamızda biber fidelerinde konsantrasyona bağlı olarak Cd birikimi ve diğer minerallerin sürgün ve yapraklardaki içeriğinin değişebileceği tespit edilmiştir. Bu hususta biber çeşitlerinin ve ağır metal konsantrasyonlarının çeşitlendirildiği daha detaylı çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Kaynaklar Abak, K., Pitrat, M. 1981. Biberlerde Kök Boğazı Yanıklığı (Phytophthora Capsici Leon.) Hastalığına Dayanıklılık Üzerine Bir Araştırma. A.Ü.Z.F. yıllığı 29 (2-3-4): 943-947. Costa, G., Michaut, J.C., Morel, J.L. 1994. Influence of Cadmium on Water Relations and Gas Sxchanges in Phosphorus Deficient Lupinus alba. Plant Physiology and Biochemistry. 32: 105. Ergün, N., Yolcu, H., Karanlık, S., Dikkaya, E. 2010. Heavy Metal Accumulation and Mineral Contents of Some Plants on Amount Mountains ( Hatay), Turkey. Bibad-97 3(2): 121-127. Gomes, M.P., Marques, T., Soares, A.M. 2013. Cadmium Effects on Mineral Nutrition of the Cd Hyperaccumulator Pfaffia glomerata. Biologia Section Botany. 68 (2): 223-230. Hegedüs, A., Erdei, S., Horváth, G. 2001. Comparative Studies of H 2O 2 Detoxifying Enzymes in Green and Greening Barley Seedings under Cadmium Stress. Plant Science. 160: 1085-1093. Kırbağ, Z.F., Munzuroğlu, Ö. 2006. Ayçiçeği (Helianthus annuus L.) Fidelerinin Toplam Çözünebilir Protein, Prolin ve Klorofil Miktarları Üzerine Civa Klorürün (HgCl 2) Etkileri. Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 18 (1): 25-30. Nogawa, G., Honda, R., Kiod, T., Tsuritani, I., Yamanda, Y. 1987. Limits to Protect People Eating Cadmium in Rice, Based on Epidemiological Studies. Trace Substance in Environmental Health. 21: 431-439. Obamate,H., Umebayashi, M. 2008. Effects of Cadmium on Mineral Nutrient Concentrations in Plants Differing in Tolerance for Cadmium. Journal of Plant Nutrition. 20(1): 97-105. Owen, C. 1982. Biochemical Aspects of Copper. Noyes Publications, Park Ridge. NJ. Phalsson, A.M.B. 1989. Toxicity of Heavy Metals (Zn, Cu, Cd, Pb) to Vascular Plants. Water, Air, Soil Pollution. 47: 287-319. Sun, J.Y., Shen, Z.G. 2007. Effects of Cd Stress on Photosynthetic Characteristics and Nutrient Uptake of Cab-bages with Different Cdtolerance. Chinese Journal of Applied Ecology. 18(11): 2605-2610. Üstün, A.S. 1991. Biberlerde Kök Boğazı Yanıklığı (Phyhophtora Capsici Leon.) Hastalığına Dayanıklılığın Nedenlerinin Fizyolojik ve Biyokimyasal Olarak İncelenmesi. Doktora Tezi. Ankara Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Ankara. 8-10. Xin.J., Huang B., Liu. A., W., Liiao K. 2013. Identification of Hot Pepper Cultivars Containing Low Cd Levels after Growing on Contaminated Soil: Uptake and Redistribution to the Edible Plant Parts. Plant and Soi. DOI.10.1007/s11104-013-1805-y. Zhang, G., Fukami, M., Sekimoto, H. 2002. Influence of Cadmium on Mineral Concentrations and Yield Components in Wheat Genotypes Differing in Cd Tolerance at Seedling Stage. Field Crops Research. 77: 93 98. - 18 -