Ayçiçeği (Helianthus annuus L.) genotiplerinde kuraklığa dayanıklılığın fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler düzeyde incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, ülkemizde yetiştirilen tescilli ayçiçeği çeşitleri ile atasal melezler vekuraklığa toleranslı olduğu bilinen atasal Helianthus agrophyllus'un kuraklık veiyileşme süreçlerinde oluşturdukları yanıtların morfolojik, fizyolojik, biyokimyasal vemoleküler (proteom) düzeyde incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın I.aşamasında ayçiçeği çeşitleri iki farklı şiddette (orta şiddetli-7 gün / şiddetli-9 gün)kuraklık ve sonrasında iyileşme (sulama- 5 gün) uygulamalarına maruz bırakılmıştır.Bu aşamada, çeşitlerin fotosentetik aktiviteleri (klorofil a fluoresans ölçümleri),membran hasarları (iyon sızıntısı), fotosentetik pigment ve su içerikleri ölçülmüştür.Fotosentetik performans indekslerinden, kuraklık ve iyileşme faktör indeksleri ilefizyolojik ve biyokimyasal ölçümlerden hasar indeksi ve iyileşme potansiyellerihesaplanmıştır. Bu hesaplamalar doğrultusunda çeşitler; kuraklığa toleranslı (Şems,Sirena, Tarsan-1018), orta derecede toleranslı (Duna, Hornet, Tunca) ve duyarlı(Bosfora, Coral, Kaan) olmak üzere 3 tolerans düzeyinde sınıflandırılmıştır.Çalışmanın II. aşamasında, seçilen çeşitler ile birlikte ayçiçeğinin atasal melezleri(Helianthus annuus x Helianthus agrophyllus ve Helianthus annuus x Helianthusdeserticola) 9 gün kuraklık stresine ve devamında 5 gün iyileşme sürecine maruzbırakılarak genotiplerin kuraklığa oluşturduğu cevaplar bazı morfolojik, fotosentetik,fizyolojik ve biyokimyasal parametreler ile ortaya konulmuştur. Elde edilenverilerinden hasar indeks değerleri ve iyileşme potansiyelleri hesaplanarakgenotipler kuraklık toleranslarına göre karakterize edilmiştir. Kuraklık koşullarındasu içeriğini azalmasına bağlı olarak, tüm genotiplerde fenotipik karakterlerde (bitkiboyu, yaprak sayısı ve taze/kuru ağırlık) değişimler saptanmıştır. Bununla birlikte,toleranslı genotipler duyarlı genotiplere göre; fotosentetik aktivitelerini ve pigmentiçeriklerini (klorofil/karotenoid) koruyup (eksitasyon enerjisini daha iyi yakalayıpetkin bir şekilde kullanabildiği), savunma kapasitesini [flavonoid, antosiyanin, glisinbetain, süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX), glutatyon redüktaz(GR), peroksidaz (POD) ve aldoz redüktaz (ALR)] arttırarak, stresle oluşanmembran hasarı (MDA) ile H2O2 düzeyini düşük tutabilmiş ve strese dayanımsağlayabilmişlerdir.Çalışmanın III. aşamasında toleranslı (Tarsan-1018) ve duyarlı (Tunca) olarakkarakterize edilen çeşitler ile atasal Helianthus agrophyllus'un protein profillerindekideğişimler proteomik analizler ile ortaya konulmuştur. MALDI-TOF/TOF MS/MSkütle spektrometresi ve MASCOT veri tabanı kullanılarak genotiplerde 63 adetprotein tanımlanmış ve STRING veri tabanı ile protein-protein etkileşim örüntülerioluşturulmuştur. Tanımlanan proteinlerin; fotosentez ve karbohidrat, enerji vesolunum, savunma, arjinin, nükleotid, yağ asidi ve glikolipid, protein ve sinyalmetabolizması ile hücre çeper biyogenezinde görev alan proteinler olduğubelirlenmiştir. Duyarlı çeşitte, metabolizmalarda tanımlanan proteinlerin farklı yöndedeğişmesi ve kuraklıkla birlikte nükleotid ve protein metabolizmaları ile sinyaliletiminde yer alan protein ifadelerindeki azalmalar, Tunca'yı diğer genotiplere göredaha az başarılı kılmıştır. Toleranslı genotipler ise fotosentez ve karbonmetabolizmaları ile birlikte enerji ve solunum ile yağ asiti ve glikolipidmetabolizmalarındaki protein ifadelerini benzer yönde düzenleyerek ve sinyal iletimyolağında yer alan 14-3-3 benzeri protein ifadesini artırarak kuraklık koşullarınadayanımda daha iyi performans sergiledikleri belirlenmiştir.

In this study, it was aimed to investigate the responses of registered sunflowercultivars grown in our country with their wild hybrids and wild Helianthus agrophyllus,identified to be drought tolerant, at morphological, physiological, biochemical andmolecular (proteomic) levels during drought and recovery. In the first stage,sunflower cultivars were exposed to two different drought treatments (moderate -7days / severe-9 days) and then recovery (irrigation-5 days). In this stage,photosynthetic activities (chlorophyll a fluorescence measurements), membranedamage (ion leakage), photosynthetic pigment and water contents of the cultivarswere measured. Drought-recovery factor indexes and damage-recovery potentialindexes were calculated from photosynthetic performance indexes, andphysiological and biochemical measurements, respectively. These calculationsallowed classification of the genotypes to three tolerance levels: drought-tolerant(Şems, Sirena, Tarsan-1018), moderately tolerant (Duna, Hornet, Tunca) andsensitive (Bosfora, Coral, Kaan). In the second stage of the study, the droughtresponses of selected cultivars with the wild hybrids of the sunflower (Helianthusannuus x Helianthus agrophyllus and Helianthus annuus x Helianthus deserticola)subjected to drought stress for 9 days and then 5-days recovery were proved byusing the morphological, photosynthetic, physiological and biochemical parameters.Genotypes were characterized according to their drought tolerances by calculatingdamage indexes and recovery potentials from the obtained data. The changes inphenotypic characters (plant height, number of leaves and fresh / dry weight) weredetermined in all genotypes due to the reduced water content under droughtconditions. However, tolerant genotypes compared to sensitive genotypes, wereable to conserve photosynthetic activities (absorption/trapping of excitation energyand utilize efficiently), pigment contents (chlorophyll/carotenoid) and enhancedefense capacity [flavonoids, anthocyanins, glycine betaine, superoxide dismutase(SOD), ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR), peroxidase (POD)and aldose reductase (ALR)], thereby the level of H2O2 and stress-inducedmembrane damage (MDA) were kept low and were able to provide tolerance tostress.In the third stage, the alterations in the protein profiles of tolerant (Tarsan-1018) andsensitive (Tunca) cultivars and wild Helianthus agrophyllus were proved byproteomic analysis. 63 proteins were identified in genotypes with MALDI-TOF / TOFMS / MS mass spectrometry and MASCOT database, and the protein-proteininteraction patterns were performed with STRING database. It has been determinedthat the identified proteins are involved in photosynthesis and carbohydrate, energyand respiration, defense, arginine, nucleotide, fatty acid and glycolipid, protein andsignal metabolism and cell wall biogenesis. Different expression of proteins inmetabolisms and the reductions in nucleotide and protein metabolisms, as well asprotein involved in signal transduction of sensitive cultivar, made Tunca lesssuccessful in stress resistance compared to other genotypes. Tolerant genotypeswere found to exhibit better performance in terms of photosynthesis and carbonmetabolism, as well as protein expression in energy and respiration and fatty acidand glycolipid metabolisms in the same way, and increased the expression of 14-3-3 like protein in signal transduction pathway increased resistance to droughtconditions.