Arpa (Hordeum vulgare L.) fidelerinde nitrik oksit teşvikli kadmiyum toleransının araştırılması

Abstract

Tarım topraklarında kadmiyum (Cd) kirliliği yaygın bir çevre sorunudur ve gıda güvenliği için potansiyel tehditler oluşturmaktadır. Nitrik oksit (NO), çevresel stres tepkilerini düzenleyen gaz halinde biyoaktif bir sinyal molekülüdür. NO'nun Cd toksisitesini hafiflettiği bildirilmiş olsa da, arpa fidelerinde NO teşvikli Cd toleransı hakkında moleküler düzeyde sınırlı bilgi mevcuttur. Bu nedenle bu çalışmada, NO'nun Cd stresine yanıttaki potansiyel rolü arpa (Hordeum vulgare L.) fidelerinin yapraklarında fizyolojik, biyokimyasal ve proteomik analizlerle incelenmiştir. Sonuçlar, 50 µM Cd stresinin bitki büyümesini ve klorofil içeriğini önemli ölçüde azalttığını ve lipid peroksidasyonu ve H2O2 içeriğini arttırdığını göstermiştir. Bununla birlikte, dışsal 100 µM sodyum nitroprussit (SNP; NO donörü) uygulaması, fide büyümesindeki Cd kaynaklı inhibisyonu ve klorofil içeriğindeki azalmayı önemli ölçüde hafifletmiş ve yaprak malondialdehit (MDA) birikimini önemli ölçüde azaltmıştır. Cd stresi, süperoksit dismutaz (SOD), guaiakol peroksidaz (POD) ve askorbat peroksidaz (APX) aktivitesini önemli ölçüde artırmıştır. Diğer taraftan, dışsal SNP uygulaması, Cd uygulamasına göre APX aktivitesinde daha fazla artışa neden olurken, SOD ve POD seviyelerini önemli ölçüde azaltmıştır. İfade seviyelerinde değişiklik (2 kat ve üzeri) gösteren yaprak proteinleri, iki boyutlu jel elektroforezi (2-DE) ile ayrıştırılmıştır. Otuz dört protein, MALDI TOF/TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight/ time-of-flight) kütle spektrometrisi ile başarıyla tanımlanmıştır. Kontrol ile karşılaştırıldığında, 28 proteinin ifade seviyesi artarken, 6 protein ifade seviyesi SNP ve/veya Cd stresi tarafından azaltılmıştır. Bununla birlikte, dışsal SNP uygulaması, protein seviyelerini farklı şekilde düzenlemiştir. Farklı şekilde ifade olan proteinler fonksiyonel olarak fotosentez ve karbohidrat biyosentezi (%47.1), protein metabolizması (%23.5), primer metabolizma (%11.8), enerji metabolizması (%11.8), stres savunma (%5.9) ve sinyal iletimi (%2.9) olmak üzere altı gruba ayrılmıştır. Metabolik yolak analizleri, fotosentez, protein sentezi, redoks homeostazı ve sinyal iletimi gibi Cd stresi tarafından bozulmuş yolakların SNP uygulaması tarafından belirgin şekilde iyileştirildiğini göstermiştir. Dışsal SNP uygulaması ile enerji metabolizması ile ilgili proteinlerin artan yönde düzenlenmesi artan enerji üretimini ihtiyacını göstermektedir. Protein metabolizmasında fonksiyon gören proteinlerin SNP uygulaması ile artan yönde düzenlenmesi, NO'nun stres direnci ve proteomun yeniden düzenlenmesindeki rolünü göstermektedir. Bu sonuçlar, NO'nun daha fazla enerji için fotosentezin teşvik edilmesi, proteinlerin korunması ve stres savunmasının aktivasyonu yoluyla Cd'un neden olduğu büyüme inhibisyonunu hafifletebileceğini ileri sürebilir.

Cadmium (Cd) contamination in agricultural soils is a prevalent environmental issue and poses potential threats to food security. Nitric oxide (NO) is a gaseous bioactive signaling molecule regulates environmental stress responses. Although NO is reported to alleviate the Cd toxicity, limited information is existing about the NO-induced Cd tolerance at molecular level in barley seedlings. In this study, therefore, the potential role of NO in response to Cd stress was examined by physiological, biochemical, and proteomic analyses in leaves of barley (Hordeum vulgare L.) seedlings. The results showed that 50 M Cd stress dramatically reduced plant growth and chlorophyll content, and increased lipid peroxidation and H2O2 content. However, exogenous application of 100 M sodium nitroprusside (SNP; NO donor) significantly alleviated Cd-induced growth inhibition and reductions in chlorophyll content, and dramatically reduced leaf malondialdehyde (MDA) accumulation. Cd stress significantly increased the activities of superoxide dismutase (SOD), guaiacol peroxidase (POD) and ascorbate peroxidase (APX). On the other hand, application of exogenous SNP further increased the activity of APX, and significantly decreased the levels of SOD and POD activity as compared to Cd stress. The leaf proteins exhibiting significant abundance changes (2.0-fold change) were separated by two-dimensional gel electrophoresis (2-DE). Thirty-four protein spots were successfully identified by MALDI TOF/TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight/ time-of-flight) mass spectrometry. When compared with control, 28 proteins were up-regulated and 6 proteins were up-regulated by SNP and/or Cd stress. Meanwhile, exogenous SNP treatment differentially regulated the levels of proteins. Differentially-expressed proteins were functionally classified into six groups including photosynthesis and carbohydrate biosynthesis (47.1%), protein metabolism (23.5%), primer metabolism (11.8%), energy metabolism (11.8%), stress defense (5.9%), and signal transduction (2.9%). Metabolic pathway analysis indicated that several Cd-disruptive pathways were markedly reversed by SNP treatments, including photosynthesis, protein synthesis, redox homeostasis, and signal transduction. Exogenous SNP up-regulated proteins involved in energy metabolism implying an enhancement in energy generation. Proteins involved in protein metabolism were differently regulated by SNP which indicated the roles of NO in stress resistance and proteome rearrangement. These findings suggest that NO may alleviate Cd-induced growth inhibition through the promotion of photosynthesis to generate more energy, protection of proteins, and activation of stress defense.