Investigation of genetic diversity, heavy metal and mineral nutrient status of robinia pseudoacacia l. plants collected from urban ecosystems

Abstract

Fabaceae familyasının bir üyesi olan Robinia pseudoacacia L., Kuzey Amerika'yaözgüdür ve dünyanın birçok yerinde, özellikle Avrupa, Güney Afrika ve Asya'da dikimiyapılan yaprak döken bir ağaçtır. Bir istilacı bitki türü olarak kabul edilmesine rağmen,erozyondan koruma ve arazi ıslahı amacıyla yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca,bu bitki türünün biyomonitor olarak kullanılabileceği kabul edilmiştir. Bu çalışmada,İstanbul ve Kocaeli illerinin ağır metal kirlilik düzeyleri, dört ayrı mevsimde toplanan bubiyomonitor bitki örnekleri kullanılarak ölçülmüş ve kirliliğin bu bitkinin mineral besindurumu üzerine olan etkileri saptanmıştır. Bu amaçla Büyük ada (kontrol), BağdatCaddesi, Barbaros Bulvarı, TEM karayolu (yoğun trafik) ve Dilovasi (endüstriyel)bölgelerinden R. pseudoacacia bitkisinin taze yaprak, dal ve kabuk örnekleri ile bitkilerinyetiştiği bölge toprakları toplandı. Bazı mineral element ve ağır metallerin (B, Ca, Cd,Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb ve Zn) miktarının belirlenmesi ICP-OES cihazıkullanılarak gerçekleştirildi. Fotosentetik pigment ve toplam protein içeriği de tespitedildi. Ayrıca, incelenen R. pseudoacacia genotipleri arasındaki filogenetik ilişkileri vegenetik benzerlik oranını ortaya çıkarmak için bazı genetik analizler de yapılmıştır.Genetik analizlerde, ITS1 ve trnL-trnF intergenik ara bölgesi dizileri ve ISSR bantverileri kullanılmıştır. DNA izolasyonu, bazı değişiklikler yapılarak CTAB yöntemikullanılarak gerçekleştirilmiştir.Bitki mineral element içeriklerinde iki farklı mevsimsel varyasyon gözlemlenmiştir. Bunasonuçlara göre, B, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn ve Pb konsantrasyonları, benzer şekildeilkbahar ve sonbaharda artarak, yaz ve kış mevsiminde ise azalarak aynı gruptatoplanmıştır. Öte yandan, K, Na, Ni ve Zn, yaz mevsiminden kış mevsimine düşüş, kıştansonra ilkbaharda bir artış göstererek başka bir grup oluşturmuştur. Toplam proteinkonsantrasyonlarının sonbaharda en yüksek seviyeye ulaştığı, bahar ve yaz aylarında isegöreceli olarak daha düşük seviyede olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, farklı istasyonlardanüç mevsimde toplanan yaprak örneklerinin fotosentetik pigment konsantrasyonlarında birmiktar dalgalanma tespit edilmiştir.ITS1 ve trnL-trnF intergenik ara bölgesi dizilerinin analizi, R. pseudoacaciagenotiplerinin, türlerarası genetik benzerlik düzeyinin yüksek olduğunu göstermiştir.Diğer bazı türler ile karşılaştırıldığında, filogenetik ağaçta Fabaceae familyasının bir altgrubu olarak, familyanın diğer üyeleriyle aynı grup içinde yer almıştır. ISSR verilerinedayanan Temel Bileşen Analizi (Principal Component Analysis-PCA) testine göre, üçsubplot elde edilmiştir. Biri Bağdat Caddesi, Barbaros Bulvarı, Büyük Ada veDilovası'ndan toplanan genotiplerden ibaretken, diğeri yalnızca TEM Otoyolugenotiplerinden ve üçüncüsü de Dilovası bölgesinin dört genotipinden oluşmaktadır.Elde edilen sonuçlara göre, ISSR moleküler işaretleyicisi, çekirdek ITS1 dizisi vekloroplast trnL - trnF intergenik ara bölgesi dizisi, genetik çalışmalarda R. pseudoacaciagenotiplerini analiz etmek için etkili genetik araçlar olarak önerilebilir.

Fabaceae family member Robinia pseudoacacia L. is a deciduous tree, which is nativeto North America and has been widely planted in many parts of the world, especially inEurope, Southern Africa and Asia. Although it is considered as an invasive plant species,it has been widely used for shelter belt and land reclamation purposes. Also, this plantspecies is accepted as a biomonitor plant. In this study, heavy metal pollution levels ofIstanbul and Kocaeli provinces were measured by using this biomonitor plant species thatwere collected in four different seasons, and the effects of pollution on mineral nutrientstatus of this plant were determined. For this purpose, fresh leaf, branch and bark samplesof R. pseudoacacia plants and their co-located soils were collected from Prince Island(control), Bagdat Avenue, Barbaros Boulevard, TEM highway (dense traffic) andDilovasi District (industrial). Determination of some mineral elements and heavy metals(B, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb and Zn) were conducted by using ICPOES. Photosynthetic pigment and total protein contents were determined as well.Additionally, some genetic analysis were performed to reveal phylogenetic relations andgenetic similarity among studied R. pseudoacacia genotypes. ITS1 and trnL - trnFintergenic spacer sequences, and ISSR band data were employed for genetic analysis.DNA isolation was done by using CTAB method with some modifications.Two different types of seasonal variations on element content were observed. Accordingto this, B, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn and Pb concentrations were grouped within thesame pattern with an increase in spring and autumn, and a decrease in summer and winter.On the other hand, K, Na, Ni and Zn grouped in another pattern with a decrease fromsummer to winter, and an increase in spring after winter. Total protein concentrationswere observed as the highest in autumn, while relatively lower in spring and summer.Additionally, there were some fluctuations in photosynthetic pigment concentrations inleaf samples collected from different stations in three different seasons. ITS1 and trnL - trnF intergenic spacer sequences analysis showed that R. pseudoacaciagenotypes have a high level of interspecific genetic similarity. They were also includedas a subgroup in the same clade with other Fabaceae member genotypes when comparedwith other species. According to the ISSR based Principal Component Analysis test, threesubplots were obtained. While one comprised the genotypes collected from BagdatAvenue, Barbaros Boulevard, Prince Island and Dilovası Disctrict, one other comprisedonly genotypes of TEM Highway and the third one comprised four genotypes of Dilovasıdistrict.According to the results, it can be proposed that ISSR molecular markers, nuclear ITS1,and chloroplast trnL - trnF intergenic spacer sequences are effective genetic tools toanalyze R. pseudoacacia genotypes in genetic studies.