Donma önleyici proteinleri ihtiyaç hücreler arasındaki boşluklarda formları buzun büyümesini önleyen ve kristalize olmasını kışı geçiren bitkilerde geniş bir aralıkta bulunurlar.
Bitkiler kendi zar bileşimine yağ asitleri ekleyerek veya "donmaya-karşı proteinler" üreterek soğuk stresine yanıt verebilir.
Plazma zarı "akışkan mozaik" karakteristik soğuk stres sırasında tehlikeye düşer. Sıcaklık azaldıkça, yağlar zardan hareketli ve protein işlevi etkileyen solütleri önleyerek, kristal yapıları içine kilitlemiş olur.
Dondurucu soğuklarda, bitki hücre duvarlarında buz oluşur. Donma hücre duvarının su potansiyelini düşürür.Suyun sitoplazma artan çözünen konsantrasyonu ve hücre zehirlenmesi, soğukta hayatta kalması için de dehidratasyon direnme yeteneğine bağlıdır.
Kış başlamadan önce, bazı donma toleranslı bitkiler daha fazla şeker ve diğer solütler üretirler. Bunlar hem su kaybını karşı yardımcı ve yüksek konsantrasyonlarda tehlikeli değildir. Bu bitkiler aynı zamanda buz kristal oluşumunu karşı, hücre zarlarında yağlı asitlerin üretimlerini arttırırlar.
(Bir çok bitki dahil) pek çok organizma buz kristalleşmesini önleme, küçük buz kristallerinin bağlanan "donmaya-karşı proteinler" üretir. Bu organizmalar, antifriz proteinlerinin beş sınıfı vardır 0 ° C altında hayatta kalmasına için izin verir.
Genetik mühendisleri kültür bitkilerinin genomlarına antifriz proteinleri dahil etmek için çalışıyorlar.
ŞARTLAR
Donma önleyici protein
Donma önleyici proteinler (AFP'ler) veya buz yapılanma proteinleri (ISP) sıfırın ortamlarda hayatta kalma izin veren belirli bir omurgalı, bitkiler, mantarlar ve bakteriler tarafından üretilen bir polipeptid sınıfına bakınız. AFPler inhibe etmek için, küçük buz kristallerinin bağlanan büyüme aksi takdirde öldürücü olacaktır.
ÖRNEKLER
Transjenik mahsul bitkileri, bir Arctic balık türü geni verilebilir, bu nedenle dondan hasar görmesini engellemek için onların yapraklarında bir donmaya-karşı proteini üretir.
Don stresi: Sıcaklığın 0 C’ın altına düşmesi sonucu oluşan don stresinin olumsuz etkisi çevre sıcaklığının
düşük olmasından çok hücre suyunun donmasından kaynaklanır. Bu sıcaklıkta metabolizma en aza iner ve hayati
tüm faaliyetler durur.
Buz oluşumu hücreler arası boşlukta başlar. Buradaki suyun donması osmotik bir etki yaparak hücre içindeki
(simplast) suyun hücre arası boşluğa (Apoplast) geçmesine ve donmasına yol açar. Bu durum hücrelerde su
eksikliğine neden olur. Başlangıçta sadece hücreler arasındaki su donduğundan bitki fazla zarar görmez. Ayrıca
hücre içerisindeki su miktarı da azalmış olduğundan hemen donmayacaktır. Ancak soğuğun sürmesiyle hücre
içindeki su da donar. Oluşan buz kristalleri hücredeki biyolojik zarları parçalayarak ölmelerine neden olur. Bazı
bitkiler ise henüz tam olarak açıklanamayan mekanizmalarla buz kristallerinin oluşmasını engelleyerek dona
dayanıklılık gösterirler. Mekanizması henüz aydınlatılamamış olsa da bazı bitkilerin hücrelerinde şeker gibi bazı
moleküllerin miktarını arttırdıkları, buna karşılık su miktarını azalttıkları yine suyun donmasını geciktiren
antifriz özellikte maddeler sentezledikleri bilinmektedir.
Tüm bilgiler ışığında soğuğa dayanıklı bitkilerin donmaya karşı direnci üç şekilde gösterdikleri söylenebilir;
a) Hücre zarının güçlendirilmesi: Donma evresinde zar yapısı değişirken proteinler denatüre olur. Zarın yağ
kompozisyonuyla birlikte, yağ asitleri, fosfolipitler ve çeşitli steroidler yanında, özellikleri de önemli ölçüde
değişmektedir.
b) Sitoplazma içeriğinin değiştirilmesi: Başta basit şekerler olmak üzere, prolin gibi diğer bileşikler (yoğunluğu
arttıran) hücrede birikirler. Ayrıca donmayı engelleyen özel antifriz proteinleri de birikmektedir.
c) Gen kontrolündeki değişiklikler: Dona karşı direncin sağlanmasında çeşitli genlerin görev aldığı bulunmuştur.
Ancak genlerin bu işlevi nasıl gerçekleştirdikleri henüz aydınlatılamamıştır.
Sıcaklık doğal bitki topluluklarının yeryüzündeki normal dağılışında etkili olan belirleyici bir
faktördür. Pek çok bitki tür ve çeşidi kendi genetik özellikleri çerçevesinde canlılıklarını sürdürebilmek için çoğu kere sınır dereceleriyle karşı karşıya kalabilmektedir. Dünya üzerinde karasal alanın yaklaşık %25’lik kısmı 15°C’nin altına düşmeyen ve don zararı açısından güvenilir olan bölgelerden oluşmaktadır. Geri kalan bölgelerde belirli dönemlerde sıcaklığın 0°C’nin altına düşmesi nedeniyle özellikle hassas bitkiler zarar görebilmektedir
Bitkisel üretimde soğuk stresinin önemi artmış ve araştırıcılar tarafından kapsamlı şekilde ele alınmaya başlanmıştır. Bu konuda bitkilerde soğuğa dayanımın sağlanması amacıyla klasik ıslah veya moleküler teknikler ile ilgili birçok farklı bitkide çalışmalar yürütülmüş ve yürütülmeye devam edimliktedir (Szalai vd. 2001) .
Bitki dokuları arasında ve mevsimsel olarak soğuğa dayanım bakımından farklılıkların olması,
dona dayanım mekanizmasının izahını daha karmaşık hale getirmiştir. Orta Avrupa çamlarında yaz periyodunda -10°C’lik sıcaklık yaprakların ölümüne neden olurken, kışın çok daha düşük derecelerde bile canlılıklarını sürdürmektedirler
Turunçgillerde, kışlık tahıllarda, patateste, yaprağını döken meyve ağaçlarında ve bazı
sebzelerde 2°C’lik bir dona dayanıklılık sağlanabilirse, bunların toplam veriminde önemli
artışlar olacaktır. Tersi durumda da önemli kayıplar söz konusu olabilir. Mesela, Dünyanın ortalama sıcaklığındaki 1°C azalma, pirinç üretiminde % 40’lık azalmaya neden olabilir (Pearce, 1999).
Bitkilerin dokusunu etkileyen atmosfer sıcaklıkları, bitkiyi iki şekilde etkilemektedir.
Birincisinde, bitki metabolizmasında değişimlere yol açan enzimlerin katalizledikleri reaksiyon oranları ve aktiviteleri değişmektedir. İkincisinde ise ekstrem sıcaklıklar bitkilerde zarara neden olmaktadır.Bitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar
Ekstrem sıcaklık koşullarında canlılığın devam ettirilmesi sorunu, makromolekül içeriği, hücrelerin yapısal ve fonksiyonel bütünlüğünün devam etmesine bağlıdır. Hayvanlardan farklı olarak karasal alanda yaşayan bitkiler, olumsuz çevre şartlarından kaçınmak ve korunmak için yer değiştiremez. Bu sebeple bitkiler ekstrem çevre şartlarına karşı, canlılıklarını sürdürebilmek için fizyolojik ve biyokimyasal stratejiler geliştirmek zorundadırlar. Bun yüzden bitkiler belirli süreçlerde olumsuz faktörlere adaptasyon sağlamaktadırlar (Nilsen ve Orcutt, 1996).
Yüksek sıcaklığa bağlı olarak oluşan kuraklık, düşük sıcaklığa bağlı olarak oluşan donlar bitkilerin canlı kalmaları ve gelişimlerini etkileyen ana stres faktörlerindendir. Bitkilerde stres şartlarına dayanım iki şekilde sağlanmaktadır. Bunlar;
1. Avoidans (mevcut stres faktörünü azaltma
veya engelleme özelliği),
2. Tolerans (zarar görmeden veya hafif zarar
ile strese karşı canlı kalabilme).
Ilıman iklim bölgelerindeki pek çok bitki türü belirli bir süre donma derecelerinde olmayan düşük sıcaklıklara maruz kalarak don zararına karşı dayanım kazanabilmektedir. Bu karmaşık adaptasyon süreci, soğuk aklimasyonu veya soğuğa dayanım süreci olarak adlandırılmaktadır. Soğuk aklimasyon süresince, bitkiler don stresinden korunmak veya tolerans sağlamak için farklı mekanizmalar geliştirmektedir. Bunlar lipit bileşiminde, enzim aktivitelerinde değişimler, şeker ve aminoasit içeriklerinde artışlar, bazı proteinlerin seviyelerinde ve gen ekspresyonunda değişiklikler şeklinde ifade edilmektedir Bitkilerde soğuk stresine karşı dayanım mekanizması birçok faktörün etki ettiği karmaşık bir durumdur. Bu nedenle bunu ortaya çıkarabilmek için
birçok önemli faktörün üzerinde durulması gerekmektedir. Öncelikle hücre içi ve hücreler arası
don oluşum mekanizması, don oluşumu öncesinde ve bu süreçte dokudaki nem ve kuru madde içeriğindeki değişim, lipitler, protein, bazı aminoasitler, antioksidant enzimler, makro ve mikro besin elementlerindeki değişimlerin incelenmesinin önemli olacağı düşünülmektedir.
BİTKİLERİN DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIMINDA HÜCRESEL MEKANİZMALAR
Bitkilerde Dona Dayanım ve Soğuk Aklimasyonu
Meyve ağaçlarının soğuğa dayanımları türlere göre farklılık göstermektedir. Elma ve vişne gibi meyve türleri soğuklara daha dayanıklı oldukları halde, kayısı ve badem gibi meyve türleri soğuklardan çok zarar görmektedir. Doğal olarak bitkilerin soğuklardan zararlanmasında içerisinde bulundukları dönemler, düşük sıcaklığın derecesi, düşme hızı ve etkili olduğu süre gibi faktörler etkili olmaktadır. Soğuğa dayanımda yalnız türler arasında değil, çeşitler arasında da farklılıklar vardır. Meyve ağaçlarının organlarının soğuğa dayanıklılık dereceleri de değişmektedir (Aslantaş, 2008).
Soğuklardan en fazla etkilenen organlar çiçek tomurcuklarıdır. Bunlar da özellikle açmaya
başladıkları dönemlerde soğuklara çok duyarlıdırlar.Çiçek tomurcuklarının soğuklara dayanıklılığı, içinde bulundukları gelişme periyoduna göre değişmektedir. Bu tamamen bitkinin içindeki metabolik değişimlerden kaynaklanmaktadır. Örneğin, dinlenme halindeki hücrelerde şeker oranının ve proteinlerin artışı hücre içindeki buz oluşumunu azaltarak dona dayanıklılığı arttırmaktadır (Küden vd. 1998).
Birçok bitki türü için, dona dayanım statik değildir. Sıcaklık ve diğer çevresel şartlar değiştiğinde, düşük sıcaklığa dayanımda mevsimselolarak değişebilmektedir. Doğada odunsu bitkilerin soğuğa aklimasyon tepkileri genellikle, kısa gün fotoperiyot sürecini takiben donma derecelerinde olmayan sıcaklıklar ile tetiklenmektedir
Bitkiler sonbahar döneminde doğal aklimasyon süreci geçirerek soğuklara daha dayanıklı olabilmektedirler.
Soğuk aklimasyonu sadece donma derecesinde olmayan düşük sıcaklıklara değil, aynı zamanda kuraklık ve ABA gibi farklı uyar .Aklime olmayan yüksek sıcaklılarda hücre kültürü
veya tüm bitkiye dıştan ABA uygulaması Solanum commersenii, Arabidopsis thaliana
, Brassica napus türlerinde dona dayanımı daha hızlı şekilde uyardığı saptanmıştır. Bünyesel ABA içeriğinin soğuk uygulanmış bitki dokularında artış gösterdiği belirlenmiştir
Soğuk aklimasyonu, düşük sıcaklığa tepki gösteren bitkilerde fizyolojik ve metabolik
değişimlerin bir kombinasyonundan kaynaklanan yüksek derecede aktif bir süreçtir (Steponkus, 1984). Soğuğa aklimasyon sürecinde pek çok olay maksimum dayanım kazanılmasında gerekmektedir. Bunlar; çevresel değişimlerle beraber hormonal
değişimler, değişen gen aktivitesi ve yeni gen ürünleri, çözünebilir maddelerin birikiminde ve lipit bileşiminde oluşan değişimler şeklinde belirtilebilir .
Dokulardaki suyun aşırı soğuma durumu, antifiriz özellikteki maddelerin (krioprotektan)
birikimi don stresinden korunmada etkili olabilmektedir. Dona dayanımda mekanizması genellikle otsu bitkilerde, çok yıllık odunsu bitkilerde ise tolerans faktörü daha baskın
olmaktadır. Her iki mekanizma aynı bitkide birlikte rol alabilmektedir. Örneğin, çiçek ve yaprak
tomurcuklarının iç dokularındaki su, tomurcuk pullarına taşınarak burada aşırı soğuma
gösterebilmektedir. Bu durum don zararının azalmasına katkı sağlamaktadır. Odunsu bitkilerde
parankima, floem gibi dokular bu şekilde don zararını tolere edebilmektedirler Bitkilerin çevresel ekstrem şartlarda canlı kalabilmesi, onların bu şartlara morfolojik ve fizyolojik olarak adapte olabilme yeteneklerine bağlıdır. Küçük, kalın yapraklar, yüksek kök/sürgün oranı gibi özellikler bitkilerin çevresel stres faktörleriyle mücadele edebilmesinde önemli olmaktadır
Şeftalilerde yapılan dona dayanıklılık çalışmasında, tüm çeşitlerin en yüksek dayanıklılığı ocak ve şubat aylarında, en düşük dayanıklılığı mart ayında gösterdiği belirlenmiştir. Triogem ve Golden Jubilee çeşitlerinin tomurcukları -21.1 °C’de suni don testine tabi tutulmuştur. Ocak ayında sırasıyla % 58.3 ve % 55.1 oranlarında canlılık gösterirken, mart ayında bu
oran her iki çeşitte de % 0.6’ya düşmüştür. Ayrıca dayanıklılığın çeşitlere göre değiştiği ifade edilmiştir.
Bazı şeftali, kayısı ve kiraz çeşitlerinin dona dayanım derecelerinin saptanması için şubat ve mart aylarında 6-8 saat süreyle -10 °C ve -15 °C’deki sıcaklıklara maruz bırakılmışlardır.
Sonuçta -10 °C’de şeftali tomurcuklarının tamamının, kayısı tomurcuklarının % 88,8’nin ve
kiraz tomurcuklarının %96’sının zararlandığı saptanmıştır (Küden vd. 1998). Ertürk ve Güleryüz
(2007), Erzincan koşullarında bazı yerli ve yabancı kayısı çeşitlerinin dona dayanımları üzerine yapılan çalışmada Kasım (dinlenme başlangıcı), Ocak (dinlenme ortası) ve Mart (dinlenme sonu) aylarında alınan tomurcuklarda farklı sürelerde uygulanan yapay don testlerinde dönem ve yıllara göre çeşitler arasında dayanıklılık derecesinin değişim gösterdiği saptanmıştır. Don testi uygulanan tomurcuklarda zararlanma oranı ile elektriksel iletkenlik ve iletkenlik oranları arasında pozitif, tomurcukların su içeriğiyle ise negatif ilişkiler belirlenmiştir. Kayısı çeşitlerinde tomurcuklardaki toplam şeker, protein ve lipit miktarları dinlenmenin başlangıcından sonuna
değin artmış, nişasta ise azalmıştır.
Erzincan ekolojisinde bazı yerli ve yabancı orijinli badem çeşitlerinin dona dayanımları bakımından farklılık gösterdiği, geç uyanan genotiplerin daha avantajlı olduğu suni don testleri neticesinde belirlenmiştir. Çiçek tomurcuğunun dona dayanıklılığının kuru madde ve Ca içeriği ile pozitif, Cu içeriği ile negatif korelâsyona sahip olduğunu belirlemiştir.
Bitkilerde Hücre İçi ve Hücreler Arası Don Oluşumu
Bitkiler donma sıcaklıklarına maruz kaldıklarında neler olduğunun bilinmesi için, suyun
fiziksel ve kimyasal özellikleri ile donma olayının bilinmesi gerekir. Saf suda 0 °C’de katıdan sıvıya veya sıvıdan katıya bir faz geçişi söz konusudur. Donma olayı karmaşık bir olaydır. Don zararı, hücreler arası don oluşumu ve hücre içinde dehidrasyon ile tolere edilmeye çalışılır .
Bitki hücrelerinde olduğu gibi çözeltiler farklı sıcaklıklarda donma ve erime özelliğine sahiptir.
Çözeltiler genellikle gerçek donma olmadan önceaşırı soğuma gösterirler. Aşırı soğumanın büyüklüğü birçok faktörün etkisiyle değişir. Bazı organ ve dokular aşırı soğuma ile dondan korunur. Aşırı soğumanın sınırları aşıldığında hücre dışında buz kristalleri oluşur. Hücre içinden dışarıya meydana gelen su kaybı tolere edilecek seviyeyi aşınca ölüm meydana gelir. Donma nedeniyle ksilem iletim demetlerinde meydana gelen tıkanmalar sürgün ölümlerine neden olur Hücre membranlarındaki yapının kimyasal ve enzimatik bileşimindeki değişiklik, aşırı soğuma özelliğinde de değişikliğe neden olmaktadır. Hücreler arası ve hücre içi don oluşumunda doku için koruyucu özellik arz eden sıcaklık yükselmeleri (ekzotermler) meydana gelmektedir. Yapılan çalışmalarda 3 hafta süresince -30°C’nin altındaki sıcaklıklara maruz kalan odunsu bitkilerden alınan örneklerde düşük sıcaklık ekzotermleri belirlenmiştir .
Hücre içi don oluşumu doğada yaygın değildir. Ancak hücrelerarası don, tüm ılıman iklim
bölgelerinde kış sürecinde bitkilerde meydana gelmektedir. Çözülebilir kuru maddenin daha düşük konsantrasyonu ve buz oluşumunu sağlayan nükleatörlerin varlığından dolayı buz oluşumu
hücrelerarası boşluklarda başlar .Hücrelerarası don, buz çekirdeklerinin oluşumu ile soğuma şiddeti gibi çevresel faktörlere bağlıdır .
Hücrelerarası buzun kademeli olarak artışı, hücrelerden suyu dışarı çekmektedir. ücrelerarası buz oluşumu neticesinde oluşan dehidrasyon ve mekanik stresler don zararına büyük oranda katkı sağlamaktadır . Burada meydana gelen buz kristallerine maruz kalma süresi, donma ve erime oranları, erime sonrası koşullar da zararı etkileyebilir. Donma süreci ve don zararının derecesi bitkinin anatomik yapısı, yaşı, su içeriği tarafından da etkilenmektedir .
Birçok metot bitkilerdeki don zararı hakkında önemli bilgiler verebilmektedir.
Görüntüleme
Bitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar metotlarındaki gelişmeler (infrared video termograf) buzun oluşması ve yayılması ile yapısal özelliğini kesin bir şekilde göstermekte ve ekzotermlerin yakalanmasını sağlamaktadır. Diferansiyel termal
analiz (DTA), diferansiyel skaning kalorimetre (DSC), düşük sıcaklık tarayıcılı elektron mikroskobu (LTSEM), nükleer manyetik rezonans (NMR) bitki don zararını analiz etmede önemlidir .
Diferansiyel termal analiz (DTA) meyve ağaçlarında dokuların soğuğa dayanım derecelerinin
belirlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Don Zararı Sürecinde Hücre Membranlarındaki Değişimler
Donma sıcaklığına maruz kalan buğday bitkilerinden izole edilen membranlarda lipit
peroksidasyonu belirlenmiştir .Yapılan çalışmalar sonucu don stresinin membranlarında süperoksit oluşumunu hızlandırdığı belirlenmiştir. Hücreler arası su donduğu zaman,
buz-su oluşumunun dışında kalan bitki özsuyunda çözünmüş olan maddeler dokuların bünyesinde tutulmaya devam etmektedir .
Sudaki oksijenin çözünebilirliği daha düşük sıcaklıklarda arttığından, oksijen don stresi süresince kolayca hücrelere yayılır. Oksidasyon (yükseltgenme) ve redüksiyon (indirgenme)
reaksiyonları ile ilişkili elektron taşıma zincirleri ve enzimler don dehidrasyon zararı nedeniyle
bozulmaktadır. Elektronlar vericilerden alıcılara düzenli şekilde aktarılamaz. Bu nedenle taşıma
zincirlerinden dışarıya sızan elektronlar süperoksit (0- 2) veya moleküler oksijen oluşumunu
artırmaktadırlar. Aktif oksijen türevlerinin oluşumu membran lipitlerinin bozulamasını hızlandırmakta ve serbest yağ asitleri ve/veya peroksidasyon ürünlerinin birikimine neden olmaktadır.
Lipoxigenaz enziminin serbest yağ asitlerini enzimatik veya kimyasal olarak hidrolize ederek
peroksidasyonun ana kaynağını olduşturduğu yapılan araştırmalar sonucunda tespit edilmiştir . Membran lipitlerinde esterleşmiş yağ asitlerinin serbest radikal üretim reaksiyonları,
bunların süpürülme oranını aşması kritik noktadır. Bitki plasma membranları oksijen türevlerini tüketme yeteneğine sahip redoks sistemlerine sahiptir. Burada genellikle bir elektron vericisi olan NAD(P)H kullanılarak superoksit oluşturulur . Plasma membranlarındaki redoks sistemleri pek çok fizyolojik süreçte önemli bir role sahiptir. Ancak stres şartlarında membran zararına katkı sağlayan aktif oksijen türevlerinin üretimi hakkında çok fazla bilgi yoktur. Son yıllarda su stresi altında bulunan buğday bitki köklerinin plasma membranlarında oksijen tüketimi ve süperoksit üretiminin, lipit peroksidasyonu sonucunda artış gösterdiği belirlenmiştir. Bu durumun plasma membran redoks sisteminin hücresel oksijen radikallerinin üretiminde
önemli bir faktör olabileceği kabul edilmekte ve bu durumun lipit peroksidasyonu yoluyla membrana zarar verebileceği belirtilmiştir .Genel olarak don zararı sonucunda; membran
yarı geçirgenliğinin bozulması, iyonların aktif taşınımında kayıplar, fosfolipitlerin bozulması ve
membranların fiziksel yapısındaki faz değişimi meydana gelmektedir .
Sitoplâzma ve onu çevreleyen plasma membranının yarı geçirgenözelliği donma/erime süresince suyun içeriye/dışarıya akışını kontrol etmede önemli bir role sahiptir. Hücre içindeki çözünebilir maddelerin dışarıya çıkmasını engelleme ve en önemlisi hücrelerarası buzun plasma membranı içindeki bölgeye zarar vermesini önlemektedir. Donma/erime süresince bu yapısal ve fonksiyonel özelliklerin sürekliliği canlılığın devam ettirilmesinde önemlidir.
Hücre membranları temel olarak lipit ve proteinleri içerdiklerinden, membran zararı ya lipit ya
da protein veya her ikisinde değişimlerin meydana gelmesi şeklinde meydana gelebilmektedir. Plasmamembranının zarar görme mekanizması üzerinde yapılan çalışmalarda don zararı sonucunda proteinlerdeki sulfhidril (SH) gruplarının oksidasyonu, plasma membranı H+
-ATPaz aktivitesinde azalma meydana geldiği belirlenmiştir . Levitt’in SH hipotezine göre,
plasma membranlarında don zararı membran proteinlerinin dağılmasına sebep olmaktadır. Don
zararından sonra çözülebilir protein –S-S- bağ yapılarında artış görülmüştür. Moleküller arası bu
disülfit bağları protein moleküllerinin bir arada kalmasını sağlamaktadır. Saf SH içeren enzimlerle yapılan çalışmalarda don sonucu bu enzimlerin inaktif olduğu belirlenmiştir (Lewitt, 1967).
BİTKİLERİN DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIMINDA MOLEKÜLER MEKANİZMALAR
Soğuk aklimasyonu süresince oluşan biyokimyasal değişimler, bitki özsuyunda çözünebilen maddelerin değişimi, membran lipit bileşimindeki, protein miktarında, enzim aktivitesinde, antioksidant sisteminde değişim ve bitki besin elementi içeriğinde meydana gelen
biyokimyasal değişimler bitkilerin düşük sıcaklığa dayanıklılık mekanizmalarında oldukça önemlidir. Bu moleküllerin etkileri ayrı ayrı ele alınmıştır.
Bitki Öz Suyunda Çözülebilir Maddelerdeki Değişimler
Düşük sıcaklıkların etkili olduğu yerlerde yaşamını devam ettiren bitkilerin suda çözülebilir
karbonhidrat ve aminoasitleri biriktirdiği ve bunların dona dayanımda etkili olduğuna yönelik çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Fruktanlar, sakaroz, polyol (polihidrik alkol türevi) ve prolin gibi maddelerin bitkiler düşük sıcaklığa maruz kaldığı periyotlarda bünyelerinde biriktiği yapılan çalışmalar ile belirlenmiştir .
Fakat bu maddelerin birikim sebebi ve fonksiyonları tam olarak açıklanamamıştır.
Karbonhidratlar bitkilerde soğuğa dayanımda temel kriyoprotektanlardır. Sakaroz dona dayanıklı bitkilerde en yaygın şekilde bulunmaktadır. Karbonhidrat seviyesinin uzayan düşük sıcaklık süresince 10 kata kadar bir artış gösterdiği ve bu birikimin dona dayanımda etkili olduğu belirlenmiştir . Bu etkiyi muhtemelen karbonhidratların ölümcül hücre içi donma noktasını daha düşük derecelere çekerek meydana getirdiği belirtilebilir. Bu maddeler ayrıca sitoplâzmadan dehidrasyonu önlemek için osmoprotektan olarak görev alarak donmanın tolere edilmesi için hücreleri hazırlamaktadır. Ayrıca poteinlerin etrafında bulunan suyun muhafaza edilmesine de yardımcı olarak dayanıma katkı sağlamaktadır . Buğdayda soğuk aklimasyonu sürecinde prolin ve çözülebilir şekerlerde birikimin olduğu belirlenmiştir .
Yonca’da yapılan çalışmada soğuğa dayanım sürecinde prolin miktarında artış belirlenmiştir.
Esas itibariyle prolin amino asiti, stres şartlarında bir savunma mekanizması olarak sentezlenmektedir .Kışlık buğdayda yapılan çalışmada kış döneminde yapraklarda glikoz, fruktoz, sakkaroz içeriklerinde artış olduğu belirlenmiştir. Pek çok çalışmada şeker içeriği ve abiyotik streslere dayanım derecesi arasında pozitif bir korelasyon belirlenmiş ve daha yüksek şeker içeriğinin soğuğa dayanımı arttırdığı belirlenmiştir .
Hücrelerarasında vizkoz yapının oluşumu, dona dayanımda önemlidir ve bu durum dokunun şeker içeriğiyle ilişkilidir. Kavaktaki camsı yapının -20°C’nin altındaki sıcaklılarda oluşmaya başladığı belirtilmiştir .
Norveç ve İzlanda kökenli iki yonca çeşidinde yapılan çalışmada daha soğuk bölge şartlarında yetişen Norveç çeşidinde daha fazla kuru madde birikimi olduğu saptanmıştır. Eylül ayında nişasta içeriği Norveç çeşidinde daha yüksek bulunmuştur. Fakat Ocak ayına kadar nişasta içeriği belirgin bir azalma göstermiştir. Sakaroz içeriği suda çözülebilir.kuru madde içinde en yüksek orana sahip olmuştur. Ocak ayına kadar İzlanda çeşidinde sakaroz oranında
önemli azalma görülürken, Norveç çeşidinde bir azalma olmamıştır. Stolon ve köklerde sonbahar döneminde birikmiş olan nişasta kış için bir karbonhidrat rezervi olarak hizmet eder. Nişasta temel metabolik aktivite için enerji sağlar ve hidrolize olarak çözülebilir basit şekerlere dönüşür. Bunlar osmotik potansiyeli artırır ve hücrelerin donma derecelerini daha düşük seviyelere indirir .
Değişik bölgelerde farklı meyve tür ve çeşitlerinde dinlenme döneminde karbonhidratların
dokulardaki birikimi ve soğuğa dayanım arasındaki ilişkiler belirlenmiştir. Bu kapsamda, Burak (1989) Yalova Şartlarında şeftali çeşitlerinde, Bolat (1995) Iğdır şartlarında kayısı çeşitlerinde, Demirel (1997) Erzincan koşullarında kayısı çeşitlerinde, Pallonen (1999) ahududu çeşitlerinde, Ameglio et al. (2001) Fransa’da ceviz çeşitlerinde, Ercişli (2003) Doğu Anadolu Bölgesinden selekte edilen kuşburnu tiplerinin dokularındaki karbonhidratların dönemsel değişimi ile dona dayanım arasında önemli ilişkiler olduğunu belirlemişlerdir. Membran Lipit Bileşiminde Değişimler Yağ asitleri başlıca doymuş, tekli doymamış ve çoklu doymamış şeklinde sınıflandırılır. Bütirik, laurik, palmitik, stearik, mirisik, araşidik asit bazı önemli doymuş yağ asitlerine; linoleik, linolenik ve oleik asit ise sık rastlanan doymamış yağ asitlerindendir. Bunlar hücre lipitlerinin ana bileşiklerindendir. Membran lipitleri düşük sıcaklığa dayanımda rol oynayan önemli faktörlerden birisidir. Membranlardaki doymamış yağ asitleri miktarının sıcaklık azaldıkça artış gösterdiği, yapılan farklı çalışmalarda belirlenmiştir. Hücre membranlarındaki
lipitlerin doymamışlık derecesi soğuk toleransına önemli derecede olumlu tesir etmektedir. Soğuğa dayanımları farklı buğday çeşitlerinde aklimasyon süreci öncesinde palmitik asit, linoleik asit ve linolenik asit fraksiyonları belirlenmiş, oleik asit ve stearik asit miktarı çok düşük bulunmuştur. Aklimasyon aşamasından sonra linolenik ve oleik oranlarında artış, linoleik ve palmitik asit oranlarında azalma belirlenmiştir. Soğuğa dayanıklı çeşitlerde, doymamış yağ asitlerindeki artış oranları daha yüksek bulunmuştur .
Hücre membran lipitlerinin fiziksel özellikleri yağ asitlerindeki çift bağların sayısına bağlıdır.
Doymamış yağ asitleri, doymuş yağ asitlerinden sentezlenir ve bu işlemde desaturaz enzimleri rol oynamaktadır. Bu enzimler tek bağları çift bağlara dönüştürür. Yapılan çalışmalarda birçok organizmada yağ asidi desaturaz enziminden sorumlu genler belirlenmiştir. Her bir yağ asidinin doymamışlık derecesi, genetik ve çevresel olarakBitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar 162 düzenlenmektedir. Sıcaklık bunun düzenlenmesinde
kritik çevresel faktörlerden biridir. Düşük sıcaklılarda uyartılan yağ asidi desaturaz enzimleri
yağ asitlerinin doymamışlık derecelerini artırmaktadır. Doymuş yağ asitleri, kimyasal yapılarında belirli miktar hidrojen atomu taşımaktadırlar. Eğer bir çift hidrojen atomu eksik ise, yağ asidi tekli doymamış olarak adlandırılır. Çoğu bitki yağlarında doymamış yağ asitleri yüksek miktarlarda bulunmaktadır. Bitki tür ve çeşitlerinde bulunan yağ asitleri fraksiyonu ve oranları farklılık göstermektedir (Sakamoto ve Murata, 2002). Lipit fraksiyonlarındaki değişimin nasıl olduğunun belirlenmesi, bitkilerin streslere tepkisi, büyüme ve gelişmelerinin daha iyi anlaşılmasına katkı sağlayabilecektir .
Soğuk aklimasyonu sürecinde bitki membran lipit bileşimlerindeki kalitatif ve kantitatif değişimler, dona dayanımın artması ile ilişkilendirilmektedir .
Değişen sıcaklıklara membranların adapte olması için yağ asitlerinde çift bağ sayısı, pozisyonu veya yağ asitleri arasındaki zincir uzunluklarında değişimler meydana gelmektedir
Soğuk aklimasyonu, hemen bütün membran lipit türevlerinin oranında değişmelere neden olmaktadır.
Bu durum doğada oluşan don lezyonlarıyla ilişkilendirilmektedir (Pearce, 1999; Smallwood ve
Bowles, 2002). Düşük sıcaklık ve düşük su miktarı membranların jel fazına geçişini teşvik eder. Jel fazı membranların fonksiyonelliğinin azaldığı bir durumdur. Lipitlerdeki doymamışlık durumu faz değişiminin oluştuğu sıcaklık derecesini azalttığı için önemli olmaktadır. Bu nedenle membranların fiziksel özellikleri soğuk ve don zararının sebep olduğu zararlarda önemli olmaktadır. Düşük sıcaklığa adaptasyon sürecinde lipitlerdeki yüksek doymamışlık seviyesinin soğuğa dayanımın kazanılmasında etkili olduğu belirlenmiştir (Pearce, 1999). Bir bitkinin yağ asidi bileşiminde değişiklik yapma özelliği, sıvı-kristal formda bulunan hücre membran lipitlerinin yapısının korunması açısından avantaj sağlayabilmektedir. Plasma membranları
bitki hücrelerinde don zararının ana bölgelerinden biri olduğu için, bu membranlardaki lipitlerin
yapısındaki değişimler özel olarak incelenmektedir (Uemura vd. 1995). Dutun kabuk dokularındaki plasma membranlarındaki fosfolipitlerin, sonbahar ve kış döneminde soğuğa aklimasyon sürecinde artış gösterdiği belirlenmiştir (Yoshida, 1984). Norveç ve İzlanda kökenli yonca çeşitlerinde yapılan çalışmada, toplam doymamış yağ asidi miktarı soğuğa daha
dayanıklı Norveç çeşidinde daha yüksek bulunmuştur (Dalmannsdottır vd. 2001). Kışlık çavdarda yaprak hücrelerinde plasma membranlarındaki fosfolipitler arasındaki PC (phosphatidylcholine) ve PE (phosphatidylethanolamine)’nin doymamış türevlerindeki artışın bir sonucu olduğu belirlenmiştir. Benzer değişimler soğuk aklimasyonu süresince Arabidopsis thaliana’nın plasma membranlarında gözlemlenmiştir. Bu değişimler dona dayanımda önemli olan membran akışkanlığında etkili olmaktadır (Uemura vd. 1995). Bermuda çimenlerinde yapılan çalışmada 8/4 °C gündüz/gece aklimasyon uygulamasını kademeli olarak donma derecelerine düşürülen bitkilerde yaprak ve kök dokularından sürekli örnek alınmıştır. Bu süreçte doymamış yağ asitleri içeriğinin doymuş yağ asitlerine göre 4 kat daha fazla bir artış gösterdiği belirlenmiştir. Çalışma sonucunda bazı desaturaz enzimlerinin (oleik asit desaturaz, linoleik asit desaturaz gibi) düşük sıcaklıkta faaliyet göstermesi sonucu yağ asitleri bileşimine etki ederek don zararının kontrol edilmesinde önemli olduğu saptanmıştır (Samala vd. 1998). Yağ asidi desaturazenzimleri, fosfolipitlerin yağ asidi zincirlerine çift bağ yerleştirmeden sorumludurlar. Bunları kodlayan genlerin düşük sıcaklıklar tarafından uyartıldığı belirtilmektedir (Dalmannsdottır vd. 2001).
Protein Miktarında Değişimler Bitkilerin dona dayanıklılık fizyolojisinde aminoasitlerin ve proteinlerin de rolü bulunmaktadır. Genellikle bitkilerin düşük sıcaklığa maruz kalması
sırasında bünyelerindeki çözünebilir protein miktarının oransal olarak arttığı, dona dayanıklı tür
ve çeşitlerde bu oranın daha yüksek, dayanıksız çeşitlerde ise daha düşük olduğu ifade edilmektedir (Ertürk ve Güleryüz, 2007).
Soğuk aklimasyonu süresince biriken özel proteinlerden bazıları antifiriz protein özelliği
göstermektedir (Pearce, 2001). Antifiriz proteinler (AFPs) buz kristalinin şekli ve oluşumunu değiştirme özelliğine sahiptir ve buzun yeniden kristalizasyonunu engeller. Bunun sonucunda don zararından hücrelerin korunmasına katkı sağlarlar. Arpa, buğday, çavdar ve kışlık kanolada soğuk aklimasyonu süresince AFP birikimi olduğu gözlemlenmiştir (Scebba vd. 1998; Baek vd. 2000).
Deterjan gibi özelliğe sahip olan bu proteinler, suyu çekmeyen ve makromolekkülerin bir araya gelmesini önleyici bir özelliğe sahiptir (Pearce, 1999; Smallwood ve Bowles, 2002).
Soğuk aklimasyonu ile değişen gen ekspresyonunun ilişkili olduğu, yapılan çalışmalarda
belirlenmiştir. Birçok çalışma düşük sıcaklığa tepki olarak yeni polipeptitlerin sentezlendiğini
göstermiştir. Son yıllarda dona dayanım ile proteinler arasında bağlantı olduğuna dair çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Araştırmalarda bu polipeptitlerin soğuk aklimasyonu başlangıcının dona dayanımla ilişkili olduğu belirlenmiştir. Dona dayanımdaki rolleri,
dona dayanım sürecinin başlangıcında artış göstermeleri ve deaklimasyon sürecinde ise ortadan kaybolmaları ile açıklanmaktadır (Guy vd. 1992).
Düşük sıcaklıkta proteinlerin çoğu ve mRNA sentezlenmeye devam etmektedir. Bu durum soğuk aklimasyon sürecinde azalma göstermesine rağmen, temel hücresel metabolizmanın sürdürülmesi ihtiyacı ile tutarlılık göstermektedir (Howarth ve Ougham, 1993).
Soğuk uyartımlı proteinlerin çoğunun sentezi, ABA’ya karşı tepki olarak eğerlendirilmektedir
(Tseng ve Li, 1990). Apoplastta çözünebilir proteinlerin birikimi, soğuk aklimasyonu süresince
kışlık çavdarda belirlenmiştir. Aklime edilen kışlık çavdar yapraklarından ekstrakte edilen böyle
proteinler, buzun yüzeyinde adsorbe edilerek buz kristalinin normal gelişimini değiştirebilmektedir.
Antifiriz proteinler (AFPs) olarak adlandırılan bu apoplastik proteinler, buz oluşumunun tolere
edilmesinde önemli bir mekanizmaya sahip olduğu kışlık çavdarda yapılan çalışmada belirlenmiştir (Jiavd. 1996).
Enzim Aktivitesindeki Değişimler Sıcaklık değişimleriyle birlikte, bitki dokularındaki enzimatik aktiviteler de farklılıklar meydana gelmektedir. Bitkinin bu şartlara adaptasyonu, kalitatif ve kantitatif metabolik değişimlerin meydana gelmesine bağlıdır. Enzim profili ve aktivitelerindeki değişimler, çeşitli subsrat ve etkenlerle enzim fonksiyonunun düzenlenmesi
sıcaklık stresine adaptasyonda muhtemel olan olaylardır (Burke, 1995). Bu süreçte pek çok enzim aktivitesinde değişimin olduğu yapılan çalışmalarla belirlenmiştir. Bu enzimlerin çoğu için artan enzim aktivitesi artan gen ekspresyonuyla ilişkilendirilmektedir. Crespi et al. (1991) buğdayda sakaroz birikimi ve sakaroz sintaz aktivitesindeki artışın, hem sakaroz sintaz alt birimi, hem de sorumlu mRNA miktarındaki artışla ilişkili olduğu bildirilmiştir. Guy et al. (1992) ıspanakta 5°C’de sakaroz sintaz aktivitesindeki artışın soğuk uygulanan dokulardaki sakaroz içeriğindeki artışla uyumlu olduğunu belirlemiştir. Bu enzimlerin birikimi düşük sıcaklılara tepki ve/veya adaptasyonunun sonucu olmakta fakat, dona dayanım için gerekli olmamaktadır.
Antioksidant Sistemdeki Değişim Yaprağını döken meyve türleri, kış döneminde
oluşan çeşitli biyotik ve abiyotik stres şartlarında (donma, kuruma, patojen enfeksiyonu v.s) canlı kalabilmektedir. Bu süreçte askorbat peroksidaz, katalaz, glutathion reductaz, süperoksit dismutaz, polifenol oksidaz gibi antioksidant enzimler hücreler arasında etkili olarak bu streslerin tolere edilmesine yardımcı oldukları, çeşitli çalışmalarla belirlenmiştir (Tao vd. 1998; Baek vd. 2000; Porcel vd. 2003).
Üşüme ve soğuk aklimasyonu süresince (0 °C ile 15 °C arası) H2O2 birikebilir. Birçok stres oluşturan biyotik ve abiyotik stres faktörleri, kloroplastlarda moleküler oksijenin indirgenmesi veya aktivasyonuna neden olan düşük sıcaklık stresinde de oksijen radikallerinin bitki zararlanmasında rol oynadığı belirtilmiştir. Bu zararlı radikallerin stres şartlarında oluşma potansiyelinin soğuğa hassas
Bitki hücreleri oksidatif zarar seviyesini minimize eden, koruyucu ve tamir sistemine sahiptir.Genel olarak antioksidantlar iki grupta incelenir.Birinci grup antioksidantlar, aktif oksijen türevleriyle reaksiyona girmekte ve bu şekilde bu zararlı radikallerin seviyesini zarar eşiğinin altına çekmektedirler. Bu gruptakiler süperoksit dismutaz (SOD), Katalaz (CAT), Askorbat Peroksidaz (APx), Ascorbate ve α-tokoferol’dür. İkinci grup olanlar, oksitlenme özelliğini düşüren antioksidantlardır. Bunlar Glutathion (GSH), Glutathione Reductaz
SOĞUKTAN ETKILENMEYEN YAPRAKLAR
Kuzey yarım kürenin büyük bir kısmı ormanlarla kaplıdır. Genelde kozalaklı ağaçlardan oluşan bu ormanlar daha çok soğuk iklim koşulları altındadır. Bitkilerin bu soğuk iklime karşı dayanıklı olabilmeleri içinse, diğer bitkilerden farklı bazı özelliklere sahip olmaları gerekir. Örneğin, kış mevsiminde, toprak donmuş haldeyken ağaç kökleri topraktan su alamazlar. Bu şartlar altında yaşayan ağaçlar, kış susuzluğuna dayanıklı olmalıdırlar. Bu dayanıklılığı ağacın yaprakları sağlar. Birçok kozalaklı ağacın dökülmeyen yaprakları sert ve dayanıklıdır. Yaprakların üzerindeki mumlu yüzey, suyun buharlaşma yolu ile kaybını azaltır, bu da yaprakların dökülmesini ya da su basıncı sebebiyle solmasını önler. Ayrıca kozalaklı ağaçların yapraklarının çoğu iğne şeklindedir ve dona karşı çok dayanaklıdır.
Yukardaki paragrafta yaprakların üzerlerinin mum benzeri bir madde ile kaplı olduğunu ve bu yüzden yaprakların su kaybetmediklerinden bahsedildi.Yaprak dökmeyen ağaçlar, genellikle çok fazla su kaybetmesini önlemek için bal mumu kalın bir tabaka kaplı yaprakları vardır. Çam ağaçları gibi kozalaklı, uzun dar yaprakları vardır . Yaprağının bu şekilde olması su kaybını azaltmaya yardımcı olur.
Kuzey Kutbu'na yakın yaşayan ağaçların özsuyu da özeldir. Kışın kendi sap şekerler açısından zengin olur. Şeker başka bir deyişle dondan korur bir antifriz olarak işlev görür. Şeker akçaağaçlarda sap şeker özellikle zengindir. Kuzey Amerika'da şeker akçaağaç sap yemek için toplanır.
Yaprak döken ağaçlar sonbaharda yapraklarını kaybeder ama dalları şimdiden gelecek yılki yaprakları tomurcukları vardır. Bu kış bitti ya da başka bir genç yapraklar hasar görecektir önce tomurcukları (açık) bozmamaları çok önemlidir. Yaprakları fotosentez için gereklidir, bu nedenle yaprakları bozuksa ağaç açlıktan ölecektir.
. Gün ışığı saatlerinin belirli sayıda olduğunda örneğin huş ağacı gibi bazı ağaçlar, sadece tomurcukları açılacaktır. Diğer ağaçlar tomurcukları açmadan önce soğuk bir döneme geçmesi gerekir. Örneğin, elma ağaçları kendi tomurcukları açılmadan önce 6 ila 8 hafta süreyle 7 ° C'nin altında tutulması gerekir.
Kozalaklı ağaçlar kış şartlarına dayanıklı olmalarını sağlayacak özelliklere sahiptir. Örneğin dona karşı dayanıklı, dökülmeyen, iğne şeklinde yaprakları vardır. Ayrıca yapraklarının üzerindeki mumlu yüzey suyun buharlaşma yolu ile kaybını azaltır, bu da yaprakların dökülmesini önler. Bu özelliklerin tümünün birden aynı bitki türünde bulunuyor olması elbette tesadüflerle açıklanamaz.
Yaşayan her canlı gibi yaprak da hücrelerden oluşmuştur. Yaprağı oluşturan bitki hücreleri bütün diğer hücreler gibi şuursuz ve akılsız varlıklardır. Yaprağın üzerini kaplayan mumsu tabaka da yine şuursuz hücreler tarafından üretilmiştir. Oysa yaprak adeta dışarıdan fırça ile boyanmış ve verniklenmiş gibi pürüzsüz bir mum tabakasına sahiptir.
(Kış, soğuk, ağaç, koni eğim, kar) Kışın, soğuğa dayanıklı ağaçların koni biçimindeki şekilleri, özel tasarlanmış bir yapıdır. Ağacın koni şeklinin oluşturduğu eğim, üzerine düşen karın kolaylıkla yere dökülmesini sağlar. Böylece ağacın üzerinde aşırı miktarda kar toplanmaz; ağaç dallarının kırılması önlenmiş olur. Özellikle kış aylarında çok kar yağan bölgelerde, endüstriyel ya da mimari yapılarda ve köprülerde kar yükü göz önünde bulundurularak bu tasarımın aynısı kullanılır.
Hücreler en ideal formüle sahip mumsu maddeyi üretir ve bu maddeyi en ideal oranlarda hep birlikte salgılarlar. Böylece yaprağın üzeri pürüzsüz bir şekilde mum tabakası ile kaplanmış olur. Kışın yapraklarını döken ağaçların aksine, yapraklarını dökmeyen bu bitkiler her bahar mevsiminde yeni yapraklar açarak enerjilerini artırırlar. Yeteri kadar ılık bir hava olduğunda da fotosentez yapabilir ve kısa yaz aylarında enerji kaynaklarını üremek için yoğunlaştırırlar.
Dikkat edilmesi gereken bir başka nokta da kozalaklı ağaçların koni biçimindeki şekilleridir. Bu da -yeryüzündeki her detayda olduğu gibi-özel olarak yaratılmış bir ayrıntıdır.Mimari ve inşaat mühendisliği alanında, özellikle binaların çatı bölümleri yapılırken, göz önünde bulundurulması gereken en önemli noktalardan biri kar yüküdür. Normal şartlarda yalnızca kendi yüklerini ve rüzgar yükünü taşıyan çatılar, yoğun yağan bir kardan sonra oldukça yüksek bir kar yükü etkisi altında kalırlar.Özellikle endüstriyel yapıların ve köprülerin tasarımlarında bu kar yükü etkisi büyük bir özenle hesaba katılmak zorundadır. Bu nedenle, çatılar özel bir eğim verilerek inşa edilir ve taşıyıcı sistemler kar yükü hesaba katılarak güçlendirilir.
Özellikle kışın büyük bölümünün kar altında geçtiği İsveç, Danimarka, Norveç gibi kuzey ülkelerinde evlerin tamamına yakınının çatısı koni biçiminde ve bu mühendislik hesabı gözönünde bulundurularak inşa edilir. Yoksa kar yükü çatının ve binanın üzerinde ciddi hasarlara neden olur.
Kozalaklı ağaçların şekilleri incelendiği zaman insanoğlunun mühendislik hesaplarıyla, kar yüküne karşı aldığı önlemin, ağaçlarda zaten alınmış olduğunu görürüz. Ağacın koni şeklinin oluşturduğu eğim, üzerine düşen karın kolaylıkla yere dökülmesini sağlar. Böylece ağacın üzerinde aşırı miktarda kar toplanmaz; ağaç dallarının kırılması önlenmiş olur.
Bu tasarımın bir başka harika yönü daha vardır. Söz konusu şekil yağan karın tümünün aşağı düşmesine izin vermez. Ağacın dalları için tehlikeye neden olmayacak miktarda karın dalların üzerinde kalmasına izin verir. Bu da başka bir amaca hizmet eder. Ağacın üzerinde az miktarda tutulan kar ağacı soğuktan koruyan bir örtü görevi görür ve yapraklardan nemin dışarı çıkmasını azaltarak su kaybını önler.
Derleyen:By EyyupK
Devam Edecek....
Balıklar ve böceklerde bulunan donma önleyici proteinler farklı olarak, bitki donma önleyici proteinleri birden çok, hidrofilik(su emici) buz bağlayıcı etki vardır.Antifriz proteinleri, normal vücut tuzları ile birlikte, hafif deniz suyun donma noktasının altında, 2.5 c kan ve vücut sıvılarının, donma noktasını düşürmek. Bu proteinler, bağlanan ve bir Gelişmenin engellenmesi süreci boyunca, vücut sıvıları içindeki buz kristallerinin büyümesini önler. Buz kristalinin daha fazla büyümesini engelleyen bu mekanizma ,Antarktik balıkları kendi vücut sıvılarında bulunan çok küçük buz kristali engelleyiciyle sayesinde hayatı devam edebiliyor.Kimyasal antifrize göre dondurma önlenmesinde yaklaşık 300 kat daha etkilidir.Çeşitli uygulamalar içinde yiyecek ve içeceklerin dondurma veya donmayı önlemek için kullanılabilir.
Bu Antarktik balıklarının kanındaki AFGP (Antarktik Fish Gliko-protein) proteini bir çeşit tabiî antifriz olarak vazife yapmakta ve balığın buzlu sularda donmadan yaşayabilmesini sağlamaktadır. Hususi programlanmış bu genlerin üretimine sebep olduğu özel proteinler, buz kristallerine bağlanırlar ve balığın vücudunda buz kristallerinin çoğalarak bir araya gelmelerine engel olurlar. AFGP adı verilen bu proteini kodlayan genlerden üç tanesinin, balığın sindirim sisteminde bulunan bir enzimi kodlayan genlere benzerliği dikkati çekmektedir.
Araştırmacılar AFGP gliko-proteinini kodlayan 4. ve 5. genleri de Notothenioidei alt takımına mensup bir Antarktik balığında keşfetmişlerdir. 5. gen pankreasta yapılan ve bağırsakta parçalanmaya uğrayan bir proteini kodlamaktadır. AFGP geninin, buz kristallerine bağlanmayı sağlayan, proteni kodlayan kısmında üçer aminoasitten oluşan tekrar dizileri bulunduğu ortaya konulmuştur.
AFGP proteinini kodlayan genin tam olarak tanımlanması için araştırmacılar çalışmalarını sürdürmektedir. Belki bir müddet sonra, donmayı önleyen genin tam aydınlatılması ile, bu genin kodladığı proteini de çok ucuza ve bol miktarda elde edebilirsek, soğuklarda donmamak için kanımıza enjekte edilen bir miktar özel antifriz proteini ile birçok hayat kurtulabilecektir. Ancak bu genin tamamen insan genomu içine dahil edilme ihtimali çok uzak görünüyor. Zira vücudumuzun bir bütünlüğü olduğu, herşeyin herşeyle alâkalı bulunduğu düşünüldüğünde, donmaya karşı kanımızın yapısını temelden değiştirecek bir programın başka birçok zararlı tesirler ortaya çıkarması kuvvetle muhtemel görünüyor. Bununla beraber, kâinattaki herşeyi yerli yerinde yaratan Kudreti Sonsuz'un, bu balıklar vasıtasıyla bizlere kazandıracağı bazı şeyleri de ümit etmekten geri duramıyoruz
Kaynak:New Scientific, 2 October 1999
Anti-friz proteini buz kristallerinin büyümesini önleyerek dokuları koruyor. Bu proteinin taze gıda, organlar ve kan serumunun korunmasının yanı sıra, karayollarında antifriz ve donma önleyici olarak kullanımı mümkün. Antifriz proteini turp, küf ve böcekler gibi bazı organizmalarda saptandı, ancak, bu organizmalardaki proteinin antifriz etkileri zayıf ve antifrizi büyük miktarlarda elde edebilmek zor. Yeni elde edilen tür antifriz proteini çeri domatesleri üzerinde uygulandı ve çeri domatesleri 10 gün süreyle -20°C derecede dondurulduğunda normal domateslerden daha taze ve daha az deforme oldukları gözlendi.
Şaşırtıcı bir şekilde, bitkilerden antifriz proteinleri patojenez(Hastalığın oluş mekanizması) ile ilgili proteinlere homoloji(Yapı ve özellik bakımından birbirine benzer) gösteren ve aynı zamanda psikrofilik(Soğuk seven bakteriler) patojenlere(Hastalık yapan madde veya mikroorganizmalar) karşı koruma sağlayabilir.
Kış yulafı (Secale cereale) 'de, donma önleyici proteinler, soğuk, kısa gün uzunluğu, su kaybı ve etilen tepki olarak birikir ama patojenler. Donmaya duyarlı bitkilere antifriz proteinleri kodlayan genlerin aktarılması tek çift-fonksiyonlu bitki antifriz proteinleri kodlayan yaklaşık 1 C dereceki genler ,kendi dondurucu soğuklar alçaltılmış mükemmel modelli genlerin bulmak ,yeni salgılanma modelini belirlemek için nasıl değişim göstereceği çalışmalarında kullanılmak üzere proteinler elde etmek gerekir.
Bitkiler kendi zar bileşimine yağ asitleri ekleyerek veya "donmaya-karşı proteinler" üreterek soğuk stresine yanıt verebilir.
Plazma zarı "akışkan mozaik" karakteristik soğuk stres sırasında tehlikeye düşer. Sıcaklık azaldıkça, yağlar zardan hareketli ve protein işlevi etkileyen solütleri önleyerek, kristal yapıları içine kilitlemiş olur.
Dondurucu soğuklarda, bitki hücre duvarlarında buz oluşur. Donma hücre duvarının su potansiyelini düşürür.Suyun sitoplazma artan çözünen konsantrasyonu ve hücre zehirlenmesi, soğukta hayatta kalması için de dehidratasyon direnme yeteneğine bağlıdır.
Kış başlamadan önce, bazı donma toleranslı bitkiler daha fazla şeker ve diğer solütler üretirler. Bunlar hem su kaybını karşı yardımcı ve yüksek konsantrasyonlarda tehlikeli değildir. Bu bitkiler aynı zamanda buz kristal oluşumunu karşı, hücre zarlarında yağlı asitlerin üretimlerini arttırırlar.
(Bir çok bitki dahil) pek çok organizma buz kristalleşmesini önleme, küçük buz kristallerinin bağlanan "donmaya-karşı proteinler" üretir. Bu organizmalar, antifriz proteinlerinin beş sınıfı vardır 0 ° C altında hayatta kalmasına için izin verir.
Genetik mühendisleri kültür bitkilerinin genomlarına antifriz proteinleri dahil etmek için çalışıyorlar.
ŞARTLAR
Donma önleyici protein
Donma önleyici proteinler (AFP'ler) veya buz yapılanma proteinleri (ISP) sıfırın ortamlarda hayatta kalma izin veren belirli bir omurgalı, bitkiler, mantarlar ve bakteriler tarafından üretilen bir polipeptid sınıfına bakınız. AFPler inhibe etmek için, küçük buz kristallerinin bağlanan büyüme aksi takdirde öldürücü olacaktır.
ÖRNEKLER
Transjenik mahsul bitkileri, bir Arctic balık türü geni verilebilir, bu nedenle dondan hasar görmesini engellemek için onların yapraklarında bir donmaya-karşı proteini üretir.
Don stresi: Sıcaklığın 0 C’ın altına düşmesi sonucu oluşan don stresinin olumsuz etkisi çevre sıcaklığının
düşük olmasından çok hücre suyunun donmasından kaynaklanır. Bu sıcaklıkta metabolizma en aza iner ve hayati
tüm faaliyetler durur.
Buz oluşumu hücreler arası boşlukta başlar. Buradaki suyun donması osmotik bir etki yaparak hücre içindeki
(simplast) suyun hücre arası boşluğa (Apoplast) geçmesine ve donmasına yol açar. Bu durum hücrelerde su
eksikliğine neden olur. Başlangıçta sadece hücreler arasındaki su donduğundan bitki fazla zarar görmez. Ayrıca
hücre içerisindeki su miktarı da azalmış olduğundan hemen donmayacaktır. Ancak soğuğun sürmesiyle hücre
içindeki su da donar. Oluşan buz kristalleri hücredeki biyolojik zarları parçalayarak ölmelerine neden olur. Bazı
bitkiler ise henüz tam olarak açıklanamayan mekanizmalarla buz kristallerinin oluşmasını engelleyerek dona
dayanıklılık gösterirler. Mekanizması henüz aydınlatılamamış olsa da bazı bitkilerin hücrelerinde şeker gibi bazı
moleküllerin miktarını arttırdıkları, buna karşılık su miktarını azalttıkları yine suyun donmasını geciktiren
antifriz özellikte maddeler sentezledikleri bilinmektedir.
Tüm bilgiler ışığında soğuğa dayanıklı bitkilerin donmaya karşı direnci üç şekilde gösterdikleri söylenebilir;
a) Hücre zarının güçlendirilmesi: Donma evresinde zar yapısı değişirken proteinler denatüre olur. Zarın yağ
kompozisyonuyla birlikte, yağ asitleri, fosfolipitler ve çeşitli steroidler yanında, özellikleri de önemli ölçüde
değişmektedir.
b) Sitoplazma içeriğinin değiştirilmesi: Başta basit şekerler olmak üzere, prolin gibi diğer bileşikler (yoğunluğu
arttıran) hücrede birikirler. Ayrıca donmayı engelleyen özel antifriz proteinleri de birikmektedir.
c) Gen kontrolündeki değişiklikler: Dona karşı direncin sağlanmasında çeşitli genlerin görev aldığı bulunmuştur.
Ancak genlerin bu işlevi nasıl gerçekleştirdikleri henüz aydınlatılamamıştır.
Sıcaklık doğal bitki topluluklarının yeryüzündeki normal dağılışında etkili olan belirleyici bir
faktördür. Pek çok bitki tür ve çeşidi kendi genetik özellikleri çerçevesinde canlılıklarını sürdürebilmek için çoğu kere sınır dereceleriyle karşı karşıya kalabilmektedir. Dünya üzerinde karasal alanın yaklaşık %25’lik kısmı 15°C’nin altına düşmeyen ve don zararı açısından güvenilir olan bölgelerden oluşmaktadır. Geri kalan bölgelerde belirli dönemlerde sıcaklığın 0°C’nin altına düşmesi nedeniyle özellikle hassas bitkiler zarar görebilmektedir
Bitkisel üretimde soğuk stresinin önemi artmış ve araştırıcılar tarafından kapsamlı şekilde ele alınmaya başlanmıştır. Bu konuda bitkilerde soğuğa dayanımın sağlanması amacıyla klasik ıslah veya moleküler teknikler ile ilgili birçok farklı bitkide çalışmalar yürütülmüş ve yürütülmeye devam edimliktedir (Szalai vd. 2001) .
Bitki dokuları arasında ve mevsimsel olarak soğuğa dayanım bakımından farklılıkların olması,
dona dayanım mekanizmasının izahını daha karmaşık hale getirmiştir. Orta Avrupa çamlarında yaz periyodunda -10°C’lik sıcaklık yaprakların ölümüne neden olurken, kışın çok daha düşük derecelerde bile canlılıklarını sürdürmektedirler
Turunçgillerde, kışlık tahıllarda, patateste, yaprağını döken meyve ağaçlarında ve bazı
sebzelerde 2°C’lik bir dona dayanıklılık sağlanabilirse, bunların toplam veriminde önemli
artışlar olacaktır. Tersi durumda da önemli kayıplar söz konusu olabilir. Mesela, Dünyanın ortalama sıcaklığındaki 1°C azalma, pirinç üretiminde % 40’lık azalmaya neden olabilir (Pearce, 1999).
Bitkilerin dokusunu etkileyen atmosfer sıcaklıkları, bitkiyi iki şekilde etkilemektedir.
Birincisinde, bitki metabolizmasında değişimlere yol açan enzimlerin katalizledikleri reaksiyon oranları ve aktiviteleri değişmektedir. İkincisinde ise ekstrem sıcaklıklar bitkilerde zarara neden olmaktadır.Bitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar
Ekstrem sıcaklık koşullarında canlılığın devam ettirilmesi sorunu, makromolekül içeriği, hücrelerin yapısal ve fonksiyonel bütünlüğünün devam etmesine bağlıdır. Hayvanlardan farklı olarak karasal alanda yaşayan bitkiler, olumsuz çevre şartlarından kaçınmak ve korunmak için yer değiştiremez. Bu sebeple bitkiler ekstrem çevre şartlarına karşı, canlılıklarını sürdürebilmek için fizyolojik ve biyokimyasal stratejiler geliştirmek zorundadırlar. Bun yüzden bitkiler belirli süreçlerde olumsuz faktörlere adaptasyon sağlamaktadırlar (Nilsen ve Orcutt, 1996).
Yüksek sıcaklığa bağlı olarak oluşan kuraklık, düşük sıcaklığa bağlı olarak oluşan donlar bitkilerin canlı kalmaları ve gelişimlerini etkileyen ana stres faktörlerindendir. Bitkilerde stres şartlarına dayanım iki şekilde sağlanmaktadır. Bunlar;
1. Avoidans (mevcut stres faktörünü azaltma
veya engelleme özelliği),
2. Tolerans (zarar görmeden veya hafif zarar
ile strese karşı canlı kalabilme).
Ilıman iklim bölgelerindeki pek çok bitki türü belirli bir süre donma derecelerinde olmayan düşük sıcaklıklara maruz kalarak don zararına karşı dayanım kazanabilmektedir. Bu karmaşık adaptasyon süreci, soğuk aklimasyonu veya soğuğa dayanım süreci olarak adlandırılmaktadır. Soğuk aklimasyon süresince, bitkiler don stresinden korunmak veya tolerans sağlamak için farklı mekanizmalar geliştirmektedir. Bunlar lipit bileşiminde, enzim aktivitelerinde değişimler, şeker ve aminoasit içeriklerinde artışlar, bazı proteinlerin seviyelerinde ve gen ekspresyonunda değişiklikler şeklinde ifade edilmektedir Bitkilerde soğuk stresine karşı dayanım mekanizması birçok faktörün etki ettiği karmaşık bir durumdur. Bu nedenle bunu ortaya çıkarabilmek için
birçok önemli faktörün üzerinde durulması gerekmektedir. Öncelikle hücre içi ve hücreler arası
don oluşum mekanizması, don oluşumu öncesinde ve bu süreçte dokudaki nem ve kuru madde içeriğindeki değişim, lipitler, protein, bazı aminoasitler, antioksidant enzimler, makro ve mikro besin elementlerindeki değişimlerin incelenmesinin önemli olacağı düşünülmektedir.
BİTKİLERİN DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIMINDA HÜCRESEL MEKANİZMALAR
Bitkilerde Dona Dayanım ve Soğuk Aklimasyonu
Meyve ağaçlarının soğuğa dayanımları türlere göre farklılık göstermektedir. Elma ve vişne gibi meyve türleri soğuklara daha dayanıklı oldukları halde, kayısı ve badem gibi meyve türleri soğuklardan çok zarar görmektedir. Doğal olarak bitkilerin soğuklardan zararlanmasında içerisinde bulundukları dönemler, düşük sıcaklığın derecesi, düşme hızı ve etkili olduğu süre gibi faktörler etkili olmaktadır. Soğuğa dayanımda yalnız türler arasında değil, çeşitler arasında da farklılıklar vardır. Meyve ağaçlarının organlarının soğuğa dayanıklılık dereceleri de değişmektedir (Aslantaş, 2008).
Soğuklardan en fazla etkilenen organlar çiçek tomurcuklarıdır. Bunlar da özellikle açmaya
başladıkları dönemlerde soğuklara çok duyarlıdırlar.Çiçek tomurcuklarının soğuklara dayanıklılığı, içinde bulundukları gelişme periyoduna göre değişmektedir. Bu tamamen bitkinin içindeki metabolik değişimlerden kaynaklanmaktadır. Örneğin, dinlenme halindeki hücrelerde şeker oranının ve proteinlerin artışı hücre içindeki buz oluşumunu azaltarak dona dayanıklılığı arttırmaktadır (Küden vd. 1998).
Birçok bitki türü için, dona dayanım statik değildir. Sıcaklık ve diğer çevresel şartlar değiştiğinde, düşük sıcaklığa dayanımda mevsimselolarak değişebilmektedir. Doğada odunsu bitkilerin soğuğa aklimasyon tepkileri genellikle, kısa gün fotoperiyot sürecini takiben donma derecelerinde olmayan sıcaklıklar ile tetiklenmektedir
Bitkiler sonbahar döneminde doğal aklimasyon süreci geçirerek soğuklara daha dayanıklı olabilmektedirler.
Soğuk aklimasyonu sadece donma derecesinde olmayan düşük sıcaklıklara değil, aynı zamanda kuraklık ve ABA gibi farklı uyar .Aklime olmayan yüksek sıcaklılarda hücre kültürü
veya tüm bitkiye dıştan ABA uygulaması Solanum commersenii, Arabidopsis thaliana
, Brassica napus türlerinde dona dayanımı daha hızlı şekilde uyardığı saptanmıştır. Bünyesel ABA içeriğinin soğuk uygulanmış bitki dokularında artış gösterdiği belirlenmiştir
Soğuk aklimasyonu, düşük sıcaklığa tepki gösteren bitkilerde fizyolojik ve metabolik
değişimlerin bir kombinasyonundan kaynaklanan yüksek derecede aktif bir süreçtir (Steponkus, 1984). Soğuğa aklimasyon sürecinde pek çok olay maksimum dayanım kazanılmasında gerekmektedir. Bunlar; çevresel değişimlerle beraber hormonal
değişimler, değişen gen aktivitesi ve yeni gen ürünleri, çözünebilir maddelerin birikiminde ve lipit bileşiminde oluşan değişimler şeklinde belirtilebilir .
Dokulardaki suyun aşırı soğuma durumu, antifiriz özellikteki maddelerin (krioprotektan)
birikimi don stresinden korunmada etkili olabilmektedir. Dona dayanımda mekanizması genellikle otsu bitkilerde, çok yıllık odunsu bitkilerde ise tolerans faktörü daha baskın
olmaktadır. Her iki mekanizma aynı bitkide birlikte rol alabilmektedir. Örneğin, çiçek ve yaprak
tomurcuklarının iç dokularındaki su, tomurcuk pullarına taşınarak burada aşırı soğuma
gösterebilmektedir. Bu durum don zararının azalmasına katkı sağlamaktadır. Odunsu bitkilerde
parankima, floem gibi dokular bu şekilde don zararını tolere edebilmektedirler Bitkilerin çevresel ekstrem şartlarda canlı kalabilmesi, onların bu şartlara morfolojik ve fizyolojik olarak adapte olabilme yeteneklerine bağlıdır. Küçük, kalın yapraklar, yüksek kök/sürgün oranı gibi özellikler bitkilerin çevresel stres faktörleriyle mücadele edebilmesinde önemli olmaktadır
Şeftalilerde yapılan dona dayanıklılık çalışmasında, tüm çeşitlerin en yüksek dayanıklılığı ocak ve şubat aylarında, en düşük dayanıklılığı mart ayında gösterdiği belirlenmiştir. Triogem ve Golden Jubilee çeşitlerinin tomurcukları -21.1 °C’de suni don testine tabi tutulmuştur. Ocak ayında sırasıyla % 58.3 ve % 55.1 oranlarında canlılık gösterirken, mart ayında bu
oran her iki çeşitte de % 0.6’ya düşmüştür. Ayrıca dayanıklılığın çeşitlere göre değiştiği ifade edilmiştir.
Bazı şeftali, kayısı ve kiraz çeşitlerinin dona dayanım derecelerinin saptanması için şubat ve mart aylarında 6-8 saat süreyle -10 °C ve -15 °C’deki sıcaklıklara maruz bırakılmışlardır.
Sonuçta -10 °C’de şeftali tomurcuklarının tamamının, kayısı tomurcuklarının % 88,8’nin ve
kiraz tomurcuklarının %96’sının zararlandığı saptanmıştır (Küden vd. 1998). Ertürk ve Güleryüz
(2007), Erzincan koşullarında bazı yerli ve yabancı kayısı çeşitlerinin dona dayanımları üzerine yapılan çalışmada Kasım (dinlenme başlangıcı), Ocak (dinlenme ortası) ve Mart (dinlenme sonu) aylarında alınan tomurcuklarda farklı sürelerde uygulanan yapay don testlerinde dönem ve yıllara göre çeşitler arasında dayanıklılık derecesinin değişim gösterdiği saptanmıştır. Don testi uygulanan tomurcuklarda zararlanma oranı ile elektriksel iletkenlik ve iletkenlik oranları arasında pozitif, tomurcukların su içeriğiyle ise negatif ilişkiler belirlenmiştir. Kayısı çeşitlerinde tomurcuklardaki toplam şeker, protein ve lipit miktarları dinlenmenin başlangıcından sonuna
değin artmış, nişasta ise azalmıştır.
Erzincan ekolojisinde bazı yerli ve yabancı orijinli badem çeşitlerinin dona dayanımları bakımından farklılık gösterdiği, geç uyanan genotiplerin daha avantajlı olduğu suni don testleri neticesinde belirlenmiştir. Çiçek tomurcuğunun dona dayanıklılığının kuru madde ve Ca içeriği ile pozitif, Cu içeriği ile negatif korelâsyona sahip olduğunu belirlemiştir.
Bitkilerde Hücre İçi ve Hücreler Arası Don Oluşumu
Bitkiler donma sıcaklıklarına maruz kaldıklarında neler olduğunun bilinmesi için, suyun
fiziksel ve kimyasal özellikleri ile donma olayının bilinmesi gerekir. Saf suda 0 °C’de katıdan sıvıya veya sıvıdan katıya bir faz geçişi söz konusudur. Donma olayı karmaşık bir olaydır. Don zararı, hücreler arası don oluşumu ve hücre içinde dehidrasyon ile tolere edilmeye çalışılır .
Bitki hücrelerinde olduğu gibi çözeltiler farklı sıcaklıklarda donma ve erime özelliğine sahiptir.
Çözeltiler genellikle gerçek donma olmadan önceaşırı soğuma gösterirler. Aşırı soğumanın büyüklüğü birçok faktörün etkisiyle değişir. Bazı organ ve dokular aşırı soğuma ile dondan korunur. Aşırı soğumanın sınırları aşıldığında hücre dışında buz kristalleri oluşur. Hücre içinden dışarıya meydana gelen su kaybı tolere edilecek seviyeyi aşınca ölüm meydana gelir. Donma nedeniyle ksilem iletim demetlerinde meydana gelen tıkanmalar sürgün ölümlerine neden olur Hücre membranlarındaki yapının kimyasal ve enzimatik bileşimindeki değişiklik, aşırı soğuma özelliğinde de değişikliğe neden olmaktadır. Hücreler arası ve hücre içi don oluşumunda doku için koruyucu özellik arz eden sıcaklık yükselmeleri (ekzotermler) meydana gelmektedir. Yapılan çalışmalarda 3 hafta süresince -30°C’nin altındaki sıcaklıklara maruz kalan odunsu bitkilerden alınan örneklerde düşük sıcaklık ekzotermleri belirlenmiştir .
Hücre içi don oluşumu doğada yaygın değildir. Ancak hücrelerarası don, tüm ılıman iklim
bölgelerinde kış sürecinde bitkilerde meydana gelmektedir. Çözülebilir kuru maddenin daha düşük konsantrasyonu ve buz oluşumunu sağlayan nükleatörlerin varlığından dolayı buz oluşumu
hücrelerarası boşluklarda başlar .Hücrelerarası don, buz çekirdeklerinin oluşumu ile soğuma şiddeti gibi çevresel faktörlere bağlıdır .
Hücrelerarası buzun kademeli olarak artışı, hücrelerden suyu dışarı çekmektedir. ücrelerarası buz oluşumu neticesinde oluşan dehidrasyon ve mekanik stresler don zararına büyük oranda katkı sağlamaktadır . Burada meydana gelen buz kristallerine maruz kalma süresi, donma ve erime oranları, erime sonrası koşullar da zararı etkileyebilir. Donma süreci ve don zararının derecesi bitkinin anatomik yapısı, yaşı, su içeriği tarafından da etkilenmektedir .
Birçok metot bitkilerdeki don zararı hakkında önemli bilgiler verebilmektedir.
Görüntüleme
Bitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar metotlarındaki gelişmeler (infrared video termograf) buzun oluşması ve yayılması ile yapısal özelliğini kesin bir şekilde göstermekte ve ekzotermlerin yakalanmasını sağlamaktadır. Diferansiyel termal
analiz (DTA), diferansiyel skaning kalorimetre (DSC), düşük sıcaklık tarayıcılı elektron mikroskobu (LTSEM), nükleer manyetik rezonans (NMR) bitki don zararını analiz etmede önemlidir .
Diferansiyel termal analiz (DTA) meyve ağaçlarında dokuların soğuğa dayanım derecelerinin
belirlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Don Zararı Sürecinde Hücre Membranlarındaki Değişimler
Donma sıcaklığına maruz kalan buğday bitkilerinden izole edilen membranlarda lipit
peroksidasyonu belirlenmiştir .Yapılan çalışmalar sonucu don stresinin membranlarında süperoksit oluşumunu hızlandırdığı belirlenmiştir. Hücreler arası su donduğu zaman,
buz-su oluşumunun dışında kalan bitki özsuyunda çözünmüş olan maddeler dokuların bünyesinde tutulmaya devam etmektedir .
Sudaki oksijenin çözünebilirliği daha düşük sıcaklıklarda arttığından, oksijen don stresi süresince kolayca hücrelere yayılır. Oksidasyon (yükseltgenme) ve redüksiyon (indirgenme)
reaksiyonları ile ilişkili elektron taşıma zincirleri ve enzimler don dehidrasyon zararı nedeniyle
bozulmaktadır. Elektronlar vericilerden alıcılara düzenli şekilde aktarılamaz. Bu nedenle taşıma
zincirlerinden dışarıya sızan elektronlar süperoksit (0- 2) veya moleküler oksijen oluşumunu
artırmaktadırlar. Aktif oksijen türevlerinin oluşumu membran lipitlerinin bozulamasını hızlandırmakta ve serbest yağ asitleri ve/veya peroksidasyon ürünlerinin birikimine neden olmaktadır.
Lipoxigenaz enziminin serbest yağ asitlerini enzimatik veya kimyasal olarak hidrolize ederek
peroksidasyonun ana kaynağını olduşturduğu yapılan araştırmalar sonucunda tespit edilmiştir . Membran lipitlerinde esterleşmiş yağ asitlerinin serbest radikal üretim reaksiyonları,
bunların süpürülme oranını aşması kritik noktadır. Bitki plasma membranları oksijen türevlerini tüketme yeteneğine sahip redoks sistemlerine sahiptir. Burada genellikle bir elektron vericisi olan NAD(P)H kullanılarak superoksit oluşturulur . Plasma membranlarındaki redoks sistemleri pek çok fizyolojik süreçte önemli bir role sahiptir. Ancak stres şartlarında membran zararına katkı sağlayan aktif oksijen türevlerinin üretimi hakkında çok fazla bilgi yoktur. Son yıllarda su stresi altında bulunan buğday bitki köklerinin plasma membranlarında oksijen tüketimi ve süperoksit üretiminin, lipit peroksidasyonu sonucunda artış gösterdiği belirlenmiştir. Bu durumun plasma membran redoks sisteminin hücresel oksijen radikallerinin üretiminde
önemli bir faktör olabileceği kabul edilmekte ve bu durumun lipit peroksidasyonu yoluyla membrana zarar verebileceği belirtilmiştir .Genel olarak don zararı sonucunda; membran
yarı geçirgenliğinin bozulması, iyonların aktif taşınımında kayıplar, fosfolipitlerin bozulması ve
membranların fiziksel yapısındaki faz değişimi meydana gelmektedir .
Sitoplâzma ve onu çevreleyen plasma membranının yarı geçirgenözelliği donma/erime süresince suyun içeriye/dışarıya akışını kontrol etmede önemli bir role sahiptir. Hücre içindeki çözünebilir maddelerin dışarıya çıkmasını engelleme ve en önemlisi hücrelerarası buzun plasma membranı içindeki bölgeye zarar vermesini önlemektedir. Donma/erime süresince bu yapısal ve fonksiyonel özelliklerin sürekliliği canlılığın devam ettirilmesinde önemlidir.
Hücre membranları temel olarak lipit ve proteinleri içerdiklerinden, membran zararı ya lipit ya
da protein veya her ikisinde değişimlerin meydana gelmesi şeklinde meydana gelebilmektedir. Plasmamembranının zarar görme mekanizması üzerinde yapılan çalışmalarda don zararı sonucunda proteinlerdeki sulfhidril (SH) gruplarının oksidasyonu, plasma membranı H+
-ATPaz aktivitesinde azalma meydana geldiği belirlenmiştir . Levitt’in SH hipotezine göre,
plasma membranlarında don zararı membran proteinlerinin dağılmasına sebep olmaktadır. Don
zararından sonra çözülebilir protein –S-S- bağ yapılarında artış görülmüştür. Moleküller arası bu
disülfit bağları protein moleküllerinin bir arada kalmasını sağlamaktadır. Saf SH içeren enzimlerle yapılan çalışmalarda don sonucu bu enzimlerin inaktif olduğu belirlenmiştir (Lewitt, 1967).
BİTKİLERİN DÜŞÜK SICAKLIKLARA DAYANIMINDA MOLEKÜLER MEKANİZMALAR
Soğuk aklimasyonu süresince oluşan biyokimyasal değişimler, bitki özsuyunda çözünebilen maddelerin değişimi, membran lipit bileşimindeki, protein miktarında, enzim aktivitesinde, antioksidant sisteminde değişim ve bitki besin elementi içeriğinde meydana gelen
biyokimyasal değişimler bitkilerin düşük sıcaklığa dayanıklılık mekanizmalarında oldukça önemlidir. Bu moleküllerin etkileri ayrı ayrı ele alınmıştır.
Bitki Öz Suyunda Çözülebilir Maddelerdeki Değişimler
Düşük sıcaklıkların etkili olduğu yerlerde yaşamını devam ettiren bitkilerin suda çözülebilir
karbonhidrat ve aminoasitleri biriktirdiği ve bunların dona dayanımda etkili olduğuna yönelik çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Fruktanlar, sakaroz, polyol (polihidrik alkol türevi) ve prolin gibi maddelerin bitkiler düşük sıcaklığa maruz kaldığı periyotlarda bünyelerinde biriktiği yapılan çalışmalar ile belirlenmiştir .
Fakat bu maddelerin birikim sebebi ve fonksiyonları tam olarak açıklanamamıştır.
Karbonhidratlar bitkilerde soğuğa dayanımda temel kriyoprotektanlardır. Sakaroz dona dayanıklı bitkilerde en yaygın şekilde bulunmaktadır. Karbonhidrat seviyesinin uzayan düşük sıcaklık süresince 10 kata kadar bir artış gösterdiği ve bu birikimin dona dayanımda etkili olduğu belirlenmiştir . Bu etkiyi muhtemelen karbonhidratların ölümcül hücre içi donma noktasını daha düşük derecelere çekerek meydana getirdiği belirtilebilir. Bu maddeler ayrıca sitoplâzmadan dehidrasyonu önlemek için osmoprotektan olarak görev alarak donmanın tolere edilmesi için hücreleri hazırlamaktadır. Ayrıca poteinlerin etrafında bulunan suyun muhafaza edilmesine de yardımcı olarak dayanıma katkı sağlamaktadır . Buğdayda soğuk aklimasyonu sürecinde prolin ve çözülebilir şekerlerde birikimin olduğu belirlenmiştir .
Yonca’da yapılan çalışmada soğuğa dayanım sürecinde prolin miktarında artış belirlenmiştir.
Esas itibariyle prolin amino asiti, stres şartlarında bir savunma mekanizması olarak sentezlenmektedir .Kışlık buğdayda yapılan çalışmada kış döneminde yapraklarda glikoz, fruktoz, sakkaroz içeriklerinde artış olduğu belirlenmiştir. Pek çok çalışmada şeker içeriği ve abiyotik streslere dayanım derecesi arasında pozitif bir korelasyon belirlenmiş ve daha yüksek şeker içeriğinin soğuğa dayanımı arttırdığı belirlenmiştir .
Hücrelerarasında vizkoz yapının oluşumu, dona dayanımda önemlidir ve bu durum dokunun şeker içeriğiyle ilişkilidir. Kavaktaki camsı yapının -20°C’nin altındaki sıcaklılarda oluşmaya başladığı belirtilmiştir .
Norveç ve İzlanda kökenli iki yonca çeşidinde yapılan çalışmada daha soğuk bölge şartlarında yetişen Norveç çeşidinde daha fazla kuru madde birikimi olduğu saptanmıştır. Eylül ayında nişasta içeriği Norveç çeşidinde daha yüksek bulunmuştur. Fakat Ocak ayına kadar nişasta içeriği belirgin bir azalma göstermiştir. Sakaroz içeriği suda çözülebilir.kuru madde içinde en yüksek orana sahip olmuştur. Ocak ayına kadar İzlanda çeşidinde sakaroz oranında
önemli azalma görülürken, Norveç çeşidinde bir azalma olmamıştır. Stolon ve köklerde sonbahar döneminde birikmiş olan nişasta kış için bir karbonhidrat rezervi olarak hizmet eder. Nişasta temel metabolik aktivite için enerji sağlar ve hidrolize olarak çözülebilir basit şekerlere dönüşür. Bunlar osmotik potansiyeli artırır ve hücrelerin donma derecelerini daha düşük seviyelere indirir .
Değişik bölgelerde farklı meyve tür ve çeşitlerinde dinlenme döneminde karbonhidratların
dokulardaki birikimi ve soğuğa dayanım arasındaki ilişkiler belirlenmiştir. Bu kapsamda, Burak (1989) Yalova Şartlarında şeftali çeşitlerinde, Bolat (1995) Iğdır şartlarında kayısı çeşitlerinde, Demirel (1997) Erzincan koşullarında kayısı çeşitlerinde, Pallonen (1999) ahududu çeşitlerinde, Ameglio et al. (2001) Fransa’da ceviz çeşitlerinde, Ercişli (2003) Doğu Anadolu Bölgesinden selekte edilen kuşburnu tiplerinin dokularındaki karbonhidratların dönemsel değişimi ile dona dayanım arasında önemli ilişkiler olduğunu belirlemişlerdir. Membran Lipit Bileşiminde Değişimler Yağ asitleri başlıca doymuş, tekli doymamış ve çoklu doymamış şeklinde sınıflandırılır. Bütirik, laurik, palmitik, stearik, mirisik, araşidik asit bazı önemli doymuş yağ asitlerine; linoleik, linolenik ve oleik asit ise sık rastlanan doymamış yağ asitlerindendir. Bunlar hücre lipitlerinin ana bileşiklerindendir. Membran lipitleri düşük sıcaklığa dayanımda rol oynayan önemli faktörlerden birisidir. Membranlardaki doymamış yağ asitleri miktarının sıcaklık azaldıkça artış gösterdiği, yapılan farklı çalışmalarda belirlenmiştir. Hücre membranlarındaki
lipitlerin doymamışlık derecesi soğuk toleransına önemli derecede olumlu tesir etmektedir. Soğuğa dayanımları farklı buğday çeşitlerinde aklimasyon süreci öncesinde palmitik asit, linoleik asit ve linolenik asit fraksiyonları belirlenmiş, oleik asit ve stearik asit miktarı çok düşük bulunmuştur. Aklimasyon aşamasından sonra linolenik ve oleik oranlarında artış, linoleik ve palmitik asit oranlarında azalma belirlenmiştir. Soğuğa dayanıklı çeşitlerde, doymamış yağ asitlerindeki artış oranları daha yüksek bulunmuştur .
Hücre membran lipitlerinin fiziksel özellikleri yağ asitlerindeki çift bağların sayısına bağlıdır.
Doymamış yağ asitleri, doymuş yağ asitlerinden sentezlenir ve bu işlemde desaturaz enzimleri rol oynamaktadır. Bu enzimler tek bağları çift bağlara dönüştürür. Yapılan çalışmalarda birçok organizmada yağ asidi desaturaz enziminden sorumlu genler belirlenmiştir. Her bir yağ asidinin doymamışlık derecesi, genetik ve çevresel olarakBitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar 162 düzenlenmektedir. Sıcaklık bunun düzenlenmesinde
kritik çevresel faktörlerden biridir. Düşük sıcaklılarda uyartılan yağ asidi desaturaz enzimleri
yağ asitlerinin doymamışlık derecelerini artırmaktadır. Doymuş yağ asitleri, kimyasal yapılarında belirli miktar hidrojen atomu taşımaktadırlar. Eğer bir çift hidrojen atomu eksik ise, yağ asidi tekli doymamış olarak adlandırılır. Çoğu bitki yağlarında doymamış yağ asitleri yüksek miktarlarda bulunmaktadır. Bitki tür ve çeşitlerinde bulunan yağ asitleri fraksiyonu ve oranları farklılık göstermektedir (Sakamoto ve Murata, 2002). Lipit fraksiyonlarındaki değişimin nasıl olduğunun belirlenmesi, bitkilerin streslere tepkisi, büyüme ve gelişmelerinin daha iyi anlaşılmasına katkı sağlayabilecektir .
Soğuk aklimasyonu sürecinde bitki membran lipit bileşimlerindeki kalitatif ve kantitatif değişimler, dona dayanımın artması ile ilişkilendirilmektedir .
Değişen sıcaklıklara membranların adapte olması için yağ asitlerinde çift bağ sayısı, pozisyonu veya yağ asitleri arasındaki zincir uzunluklarında değişimler meydana gelmektedir
Soğuk aklimasyonu, hemen bütün membran lipit türevlerinin oranında değişmelere neden olmaktadır.
Bu durum doğada oluşan don lezyonlarıyla ilişkilendirilmektedir (Pearce, 1999; Smallwood ve
Bowles, 2002). Düşük sıcaklık ve düşük su miktarı membranların jel fazına geçişini teşvik eder. Jel fazı membranların fonksiyonelliğinin azaldığı bir durumdur. Lipitlerdeki doymamışlık durumu faz değişiminin oluştuğu sıcaklık derecesini azalttığı için önemli olmaktadır. Bu nedenle membranların fiziksel özellikleri soğuk ve don zararının sebep olduğu zararlarda önemli olmaktadır. Düşük sıcaklığa adaptasyon sürecinde lipitlerdeki yüksek doymamışlık seviyesinin soğuğa dayanımın kazanılmasında etkili olduğu belirlenmiştir (Pearce, 1999). Bir bitkinin yağ asidi bileşiminde değişiklik yapma özelliği, sıvı-kristal formda bulunan hücre membran lipitlerinin yapısının korunması açısından avantaj sağlayabilmektedir. Plasma membranları
bitki hücrelerinde don zararının ana bölgelerinden biri olduğu için, bu membranlardaki lipitlerin
yapısındaki değişimler özel olarak incelenmektedir (Uemura vd. 1995). Dutun kabuk dokularındaki plasma membranlarındaki fosfolipitlerin, sonbahar ve kış döneminde soğuğa aklimasyon sürecinde artış gösterdiği belirlenmiştir (Yoshida, 1984). Norveç ve İzlanda kökenli yonca çeşitlerinde yapılan çalışmada, toplam doymamış yağ asidi miktarı soğuğa daha
dayanıklı Norveç çeşidinde daha yüksek bulunmuştur (Dalmannsdottır vd. 2001). Kışlık çavdarda yaprak hücrelerinde plasma membranlarındaki fosfolipitler arasındaki PC (phosphatidylcholine) ve PE (phosphatidylethanolamine)’nin doymamış türevlerindeki artışın bir sonucu olduğu belirlenmiştir. Benzer değişimler soğuk aklimasyonu süresince Arabidopsis thaliana’nın plasma membranlarında gözlemlenmiştir. Bu değişimler dona dayanımda önemli olan membran akışkanlığında etkili olmaktadır (Uemura vd. 1995). Bermuda çimenlerinde yapılan çalışmada 8/4 °C gündüz/gece aklimasyon uygulamasını kademeli olarak donma derecelerine düşürülen bitkilerde yaprak ve kök dokularından sürekli örnek alınmıştır. Bu süreçte doymamış yağ asitleri içeriğinin doymuş yağ asitlerine göre 4 kat daha fazla bir artış gösterdiği belirlenmiştir. Çalışma sonucunda bazı desaturaz enzimlerinin (oleik asit desaturaz, linoleik asit desaturaz gibi) düşük sıcaklıkta faaliyet göstermesi sonucu yağ asitleri bileşimine etki ederek don zararının kontrol edilmesinde önemli olduğu saptanmıştır (Samala vd. 1998). Yağ asidi desaturazenzimleri, fosfolipitlerin yağ asidi zincirlerine çift bağ yerleştirmeden sorumludurlar. Bunları kodlayan genlerin düşük sıcaklıklar tarafından uyartıldığı belirtilmektedir (Dalmannsdottır vd. 2001).
Protein Miktarında Değişimler Bitkilerin dona dayanıklılık fizyolojisinde aminoasitlerin ve proteinlerin de rolü bulunmaktadır. Genellikle bitkilerin düşük sıcaklığa maruz kalması
sırasında bünyelerindeki çözünebilir protein miktarının oransal olarak arttığı, dona dayanıklı tür
ve çeşitlerde bu oranın daha yüksek, dayanıksız çeşitlerde ise daha düşük olduğu ifade edilmektedir (Ertürk ve Güleryüz, 2007).
Soğuk aklimasyonu süresince biriken özel proteinlerden bazıları antifiriz protein özelliği
göstermektedir (Pearce, 2001). Antifiriz proteinler (AFPs) buz kristalinin şekli ve oluşumunu değiştirme özelliğine sahiptir ve buzun yeniden kristalizasyonunu engeller. Bunun sonucunda don zararından hücrelerin korunmasına katkı sağlarlar. Arpa, buğday, çavdar ve kışlık kanolada soğuk aklimasyonu süresince AFP birikimi olduğu gözlemlenmiştir (Scebba vd. 1998; Baek vd. 2000).
Deterjan gibi özelliğe sahip olan bu proteinler, suyu çekmeyen ve makromolekkülerin bir araya gelmesini önleyici bir özelliğe sahiptir (Pearce, 1999; Smallwood ve Bowles, 2002).
Soğuk aklimasyonu ile değişen gen ekspresyonunun ilişkili olduğu, yapılan çalışmalarda
belirlenmiştir. Birçok çalışma düşük sıcaklığa tepki olarak yeni polipeptitlerin sentezlendiğini
göstermiştir. Son yıllarda dona dayanım ile proteinler arasında bağlantı olduğuna dair çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Araştırmalarda bu polipeptitlerin soğuk aklimasyonu başlangıcının dona dayanımla ilişkili olduğu belirlenmiştir. Dona dayanımdaki rolleri,
dona dayanım sürecinin başlangıcında artış göstermeleri ve deaklimasyon sürecinde ise ortadan kaybolmaları ile açıklanmaktadır (Guy vd. 1992).
Düşük sıcaklıkta proteinlerin çoğu ve mRNA sentezlenmeye devam etmektedir. Bu durum soğuk aklimasyon sürecinde azalma göstermesine rağmen, temel hücresel metabolizmanın sürdürülmesi ihtiyacı ile tutarlılık göstermektedir (Howarth ve Ougham, 1993).
Soğuk uyartımlı proteinlerin çoğunun sentezi, ABA’ya karşı tepki olarak eğerlendirilmektedir
(Tseng ve Li, 1990). Apoplastta çözünebilir proteinlerin birikimi, soğuk aklimasyonu süresince
kışlık çavdarda belirlenmiştir. Aklime edilen kışlık çavdar yapraklarından ekstrakte edilen böyle
proteinler, buzun yüzeyinde adsorbe edilerek buz kristalinin normal gelişimini değiştirebilmektedir.
Antifiriz proteinler (AFPs) olarak adlandırılan bu apoplastik proteinler, buz oluşumunun tolere
edilmesinde önemli bir mekanizmaya sahip olduğu kışlık çavdarda yapılan çalışmada belirlenmiştir (Jiavd. 1996).
Enzim Aktivitesindeki Değişimler Sıcaklık değişimleriyle birlikte, bitki dokularındaki enzimatik aktiviteler de farklılıklar meydana gelmektedir. Bitkinin bu şartlara adaptasyonu, kalitatif ve kantitatif metabolik değişimlerin meydana gelmesine bağlıdır. Enzim profili ve aktivitelerindeki değişimler, çeşitli subsrat ve etkenlerle enzim fonksiyonunun düzenlenmesi
sıcaklık stresine adaptasyonda muhtemel olan olaylardır (Burke, 1995). Bu süreçte pek çok enzim aktivitesinde değişimin olduğu yapılan çalışmalarla belirlenmiştir. Bu enzimlerin çoğu için artan enzim aktivitesi artan gen ekspresyonuyla ilişkilendirilmektedir. Crespi et al. (1991) buğdayda sakaroz birikimi ve sakaroz sintaz aktivitesindeki artışın, hem sakaroz sintaz alt birimi, hem de sorumlu mRNA miktarındaki artışla ilişkili olduğu bildirilmiştir. Guy et al. (1992) ıspanakta 5°C’de sakaroz sintaz aktivitesindeki artışın soğuk uygulanan dokulardaki sakaroz içeriğindeki artışla uyumlu olduğunu belirlemiştir. Bu enzimlerin birikimi düşük sıcaklılara tepki ve/veya adaptasyonunun sonucu olmakta fakat, dona dayanım için gerekli olmamaktadır.
Antioksidant Sistemdeki Değişim Yaprağını döken meyve türleri, kış döneminde
oluşan çeşitli biyotik ve abiyotik stres şartlarında (donma, kuruma, patojen enfeksiyonu v.s) canlı kalabilmektedir. Bu süreçte askorbat peroksidaz, katalaz, glutathion reductaz, süperoksit dismutaz, polifenol oksidaz gibi antioksidant enzimler hücreler arasında etkili olarak bu streslerin tolere edilmesine yardımcı oldukları, çeşitli çalışmalarla belirlenmiştir (Tao vd. 1998; Baek vd. 2000; Porcel vd. 2003).
Üşüme ve soğuk aklimasyonu süresince (0 °C ile 15 °C arası) H2O2 birikebilir. Birçok stres oluşturan biyotik ve abiyotik stres faktörleri, kloroplastlarda moleküler oksijenin indirgenmesi veya aktivasyonuna neden olan düşük sıcaklık stresinde de oksijen radikallerinin bitki zararlanmasında rol oynadığı belirtilmiştir. Bu zararlı radikallerin stres şartlarında oluşma potansiyelinin soğuğa hassas
Bitki hücreleri oksidatif zarar seviyesini minimize eden, koruyucu ve tamir sistemine sahiptir.Genel olarak antioksidantlar iki grupta incelenir.Birinci grup antioksidantlar, aktif oksijen türevleriyle reaksiyona girmekte ve bu şekilde bu zararlı radikallerin seviyesini zarar eşiğinin altına çekmektedirler. Bu gruptakiler süperoksit dismutaz (SOD), Katalaz (CAT), Askorbat Peroksidaz (APx), Ascorbate ve α-tokoferol’dür. İkinci grup olanlar, oksitlenme özelliğini düşüren antioksidantlardır. Bunlar Glutathion (GSH), Glutathione Reductaz
(GR), Monodehydro ascorbate Reductaz (MDHAR) ve Dehydroascorbate Reductase (DHAR)’dır
(Smirnoff, 1993). Süperoksit dismutaz (SOD) süperoksidi (O- 2) H2O2’ye dönüştürmektedir. Bu
şekilde süperoksit daha düşük bir konsantrasyona indirgenmiş olur. Catalaz H2O2’yi parçalamaktadır.
Ancak Katalaz aktivitesi üşüme sıcaklıklarında ve herbisit uygulamaları gibi stres şartlarında azalmaktadır (Smirnoff, 1995b). Ascorbat Peroksidaz (APx), kloroplast ve cytosol’de bulunmakta ve oksidant olarak H2O2’yi kullanmaktadır (Asada, 1992). Ascorbate aktif oksijenin zarar seviyesini düşürmede önemli bir göreve sahiptir. Süperoksit doğrudan hidrojen peroksit ve hidroksil radikallerini azaltabilmektedir (Foyer, 1993). α-tokoferol başlıca kloroplast membranlarında bulunan yeşil fotosentetik dokularda bulunmakta ve moleküler oksijenin etkisini giderici etkiye sahiptir. Ayrıca, lipit peroksidasyonunu gidermede önemli bir role sahiptir (Smirnoff, 1995b). Bezelye yapraklarında Glutathion Reductaz (GR) aktivitesi kloroplastlarda % 70-77, mitokondride %3, cytosol’de % 20-27 olarak belirlenmiştir (Veerson vd. 1990). Elma kallus kültüründe soğuk aklimasyonu süresince Ascorbate Peroksidaz (APx) ve Peroksidaz (POD) aktiviteleri artmaya başlamış ve aklimasyonun 10. gününde maksimum seviyeye ulaştığı belirlenmiştir. Soğuk muamalesi GR ve DHAR aktivitelerinde kademeli artışa neden olmuştur. BaşkaBitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar 164 türlerde de GR aktivitesi için benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bitki köklerindeki antioksidant sistemlerinin değişimi, henüz tam ortaya konulamamıştır (Kuroda vd. 1990, Zhao, 1998). Donma sıcaklıklarında yüksek GR aktivitesi bazı bitki türlerinde saptanmıştır. Bu durumun üşüme
toleransına katkı sağladığı düşünülmektedir (Scebba vd. 1998; Pearce, 1999; Baek vd. 2000; Kocsy vd.
2001; Baek ve Skinner, 2006;). Bitki bünyesinde SOD tarafından oksijen radikallerinin H2O2’ya dönüştürülmesi sonucu, bu maddenin dayanım mekanizması ile ilgili genlerin uyarılmasında bir
sinyal molekülü olarak görev aldığı tespit edilmiştir (Tao vd. 1998; Baek vd. 2000; Baek ve Skinner,
2006). Bitkiler lignin, süberin içeren hücre duvarı bileşenlerinin polimerizasyonunda görev aldıkları
düşünülen hücreler arası peroksidaz izoformları içermektedir. Bu peroksidazlar aşırı hassas
reaksiyonlar süresince hücre duvarı lignifikasyonunda önemli rol oynamaktadırlar. Bu nedenle, hücre duvarlarının hücreleri don zararından korumada önemli rol aldıkları kabul edilir (Baek vd. 2000). Soğuğa dayanıklı bitkilerde daha fazla fenil propanoid, tanen, lignin ve süberin birikimi olduğu saptanmıştır (Teklemariam ve Blake, 2004).
Kavakta (Populus suaveolens) Glikoz-6-fosfat dehidrogenaz (G-6PD) enzim aktivitesinin sonbahar
döneminde arttığı ve ilkbahara doğru bir azalma gösterdiği saptanmıştır. Ayrıca dallarda bu enzimin
inaktive edilmesinin zararlanmayı tetiklediği belirlenmiştir. G-6PD enzim aktivitesinin aklimasyon
uygulaması ile artış gösterdiği yonca, karaçayır, soya fasulyesi, muz bitkilerinde belirlenmiştir (Shanzhi
vd. 2002). Dona hassasiyetleri farklı olan şeftali çeşitlerinde polifenol oksidaz, katalaz ve peroksidaz
antioksidant enzimlerinin dayanım üzerine etkilerinin saptanması için bir çalışma yürütülmüştür. Kış
süresince çiçek tomurcuklarında PFO ve CAT, yaprak tomurcuklarında ise POD enzim aktiviteleri
daha büyük değişim göstermişledir. Bu enzimlerin aktiviteleri tüm çeşitlerin kışı geçiren organlarında
artış göstermiştir. İlkbaharın başlangıcıyla birlikte azalma seyrine geçmişlerdir. Çalışmada POD
aktivitesi kış başlangıcında maksimum seviyeye ulaştıktan sonra azalmış, şubat ayında bir miktar artış
göstermiştir. Bu durumun ılıman Ocak ayını takiben soğuk bir Şubat ayı periyodunun olmasından
kaynaklanabileceği belirtilmiştir (Szalay vd. 2005). Soğuk stresi sürecinde toksik seviyede H2O2
birikimini engellemek için GR aktivitesindeki artış, dayanımın devamı açısından önemlidir. Dışardan
sistein uygulandığı zaman GR aktivitesini artırdığı için dayanım artmaktadır (Kocsy vd. 2001).
Bitkide oksidatif strese neden olan aktif oksijen türevlerinin elektron taşıma sistemleri, çeşitli
indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları ile antioksidant özellikteki enzim ve maddelerle farklı
türevlere dönüşmektedir (Smirnoff, 1995b). Bunlar;
(1) O2 + e-→O -2 (2) O- 2 + e- + 2H+ → H2O2 (3) H2O2 +e- + H+ → OH. +H2O (4) OH.
+ e- + H+ → H2O
1 no’lu reaksiyonda moleküler oksijen süperokside indirgenir. Bu reaksiyon membran elektron taşıma zincirleri yoluyla olmaktadır (endogenik olarak gerçekleşir). 2, 3, 4’deki H2O2, OH
ve H2O oluşumuna neden olan indirgenmeler kimyasal reaksiyonlar yoluyla olmaktadır (ekzogenik olarak gerçekleşir). Biyolojik sistemlerde süperoksitten aktif oksijen türevlerinin oluşumu SOD ile O- 2’nin H2O2’ye dönüştürülmesi ile başlamaktadır.
(5) 2O2 - + 2H+ → H2O2 + O2 H2O2’nin indirgenmesi OH. radikalleri oluşturmaktadır. Bu reaksiyonda iyonlar katalize edicidir.(6) O2- + Fe3+ → O2 + Fe2+ (7) Fe2+ + H2O2 → OH + OH- + Fe3+
Bitki Besin Elementlerininin DonaDayanımda Etkileri
Donma/erime stresi sonucu hücrelerde iyon kaybı belirlenmiş ve bu durum membrangeçirgenliğinin kaybolmasına neden olmuştur. Don zararı olan hücrelerden kaybolan ana katyon potasyumdur (K+
). Hücre plasma membranı vasıtasıyla K+ ’un taşınımı H+ -ATPaz aktivitesi ile olduğundan, donma/erime stresi süresince H+ -ATPaz fonksiyonunda değişim olduğu belirtilmektedir. Çam yapraklarından saflaştırılan plasma membranlarında H + -ATPaz aktivitesi ölümcül donma/erime stresinden sonra kaybolduğu belirlenmiştir (Pukacki ve Pukacka, 1987). Donma/erime zararından sonra dokuların tekrar düzelebilmesi için kaybedilen iyonların (özellikle K+ ) tekrar hücrelerepompalanması gerekir (Iswari ve Palta, 1989).
Yapılan çalışmalarda H+ -ATPaz’ın bir inhibitörü olan Sodyum Vanadate uygulamasının don stresi
sonucu dokuların tekrar düzelmesini engellediği belirlenmiştir (Arora ve Palta, 1991). Don stresi
süresince plasma membranında bulunan H+ -ATPaz’ı etkileyen moleküler mekanizmalar tam olarak
anlaşılmamasına rağmen, bu değişimlerin membrandaki proteinlerin denaturasyonundan veya lipit-protein interaksiyonlarındaki değişimlerden kaynaklanabileceği belirtilmiştir (Pukacki ve Pukacka, 1987).
Düşük sıcaklığa maruz kalma, dokuda Ca+2’da geçici bir artışa neden olmaktadır (Puhakainen,
2004). Bu süreçte apoplasttan sitoplâzma sıvısına Ca akışı meydana gelmektedir. Plasma membranlarında
bulunan Ca kanalları sıcaklık düşüşüne karşı sensör görevi yaparlar (Smallwood ve Bowles, 2002).R.Aslantaş, H.Karakurt, Y.Karakurt 165 Düşük sıcaklığa maruz kalan bitkilerde hücre
membran akışkanlığında bir azalma meydana gelir. Bu durum soğuk uyartımlı genlerin çalışması için bir
sinyal özelliği taşıdığı yapılan çalışmalarda saptanmıştır.
Hücrelerarası Ca artışının yoncada, düşük sıcaklığa tepki gösteren genlerin çalışmasını uyarmada gerekli olduğu belirlenmiştir (Smallwood ve Bowles, 2002).
Malatya’da Hacıhaliloğlu kayısı çeşidine ait ağaçlarda NPK gübrelemesinin dona dayanım üzerine etkisinin araştırıldığı çalışmada, azotlu gübrelemenin kontrole göre dona dayanımı azalttığı, potasyumlu gübrelemenin ise azotlu ve fosforlu gübrelemeye göre don toleransında önemli artış sağladığı tespit edilmiştir (Muradoğlu, 1998).
Yiğit ve Güleryüz (1995) Kütahya vişnesinde potasyum sülfat gübrelemesinin soğuğa dayanım
üzerindeki etkilerini incelediği çalışmada, potasyumun bitkilerdeki dayanılılığı karbonhidrat
metabolizmasını etkileyerek arttırdığı, uygun dozlarda uygulanan K’lu gübrelerin bitki dokusunda
şeker birikimini ve osmotik basıncı artırmak suretiyle donma noktasını daha düşük sıcaklıklara çektiğini
belirlemiştir. Limon ve şeftalilerde değişik dönemlerde P, B, Mn ve Zn’nin değişik uygulamalarının sürgünlerde pişkinleşmeye katkı sağlayarak soğuğa dayanıklılığı artırdığbelirlenmiştir (Burak, 1989).
Soğuğa Dayanımda Moleküler Çalışmalar
Farklı bitki tür ve çeşitlerinde soğuğa duyarlı genlerin izolasyonu, karakterizasyonu ve soğuk
aklimasyonunun genetiğinin ortaya konulması için birçok çalışma yürütülmüştür. Soğuk uyartımlı
proteinlerin sentezi mRNA’nın translasyonunda değişimlerle olmaktadır. Yapılan çalışmalarla mRNA
profilindeki değişim ve artan dona dayanım arasında ilişki olduğu belirlenmiştir. Günümüze kadar birçok
bitkide pek çok uyartımlı gen soğuğa alıştırılan ve alıştırılmayan bitkilerden cDNA kütüphanelerinin
incelenmesiyle elde edilmiştir. Bu cDNA klonlarının nükleotit sekansları belirlenmiştir. Fakat bu izole
edilen genlerin çoğunun bilinmeyen fonksiyonlara sahip yeni polipeptitleri kodladığı belirlenmiştir
(Neven vd. 1993).
Soğuk aklimasyonu kabiliyeti ve dayanımın genetik analizi bu kompleks sürecin doğasını
göstermiştir. Çalışmaların çoğu buğday ve diğer hububat bitkilerinde yürütülmüştür. Buğday ve
odunsu bitkilerde dona dayanımın kalıtımı, çok genle kontrol edilmektedir. Hem dominant hem de resesif
genlerin kümülatif etkileri de belirlenmiştir. Buğdayda 5A ve 5D kromozomları dona dayanımda
esas etki göstermelerine rağmen, 21 kromozomun 11’inin dona dayanımda etkili olduğu belirlenmiştir
(Thomashow, 1990).
Kayın bitkisinde soğuk aklimasyonu ile ilgili yapılan çalışmada dona dayanımda etkiye sahip
olduğu belirlenen Bplti36, 36kD geninin, düşüksıcaklık yanında, kuraklık, tuz streslerine ve dıştan
ABA uygulamasına tepki gösterdiği belirlenmiş ve bu genin Arabidopsise transplante edilmesi
sonucunda bu özelliğin aktarıldığı tespit edilmiştir. Bitkide dona dayanım mekanizması ile ilgili genler,
düşük sıcaklığa tepki gösterenler (LTRE), soğuk uyartımlı genler (COR), ABA-uyartımlı genler
(ABRE) şeklinde ayrı ayrı incelenmektedirler (Puhakainen, 2004). ABA bitkilerde soğuk
aklimasyonu süreciyle ilgilidir. ABA’nın düşük sıcaklığa maruz kalan otsu ve odunsu bitkilerde
arttığı ve dıştan uygulanmasının üşüme ve don toleransında artış sağladığı belirlenmiştir. Ayrıca
bünyelerinde ABA içeriği düşük olan bazı mutant bitkilerin soğuk aklimasyonu sürecinde zarar
gördükleri saptanmıştır (Smallwood ve Bowles, 2002; Puhakainen, 2004).
Elmada in vitro şartlarda
Mondial Gala elma çeşidinde soğuk uygulaması sonucu gen ekspresyonundaki değişimlerin
incelendiği çalışmada, izole edilen MYB geninin katalaz enzim fonksiyonundan sorumlu olduğu ve
aklimasyon şartlarında aktivitesinin arttığı belirlenmiştir (Siligato et al. 2004).
Sonuç olarak, bitkiler düşük sıcaklıklar sonucu oluşan üşüme ve don stresine tolerans sağlamak ve
korunmak için farklı mekanizmalar geliştirmektedirler. Bu mekanizmaların biyofiziksel,
biyokimyasal ve moleküler olarak daha detaylı araştırılması sonucu bitkilerin soğuğa dayanımı
konusunda önemli sonuçlar elde edilebilecektir.Böylelikle dünya üzerinde bitkilerin yayılım
sınırlarını belirleyen en önemli faktörlerden biri olan düşük sıcaklıklara daha dayanıklı bitki tür ve çeşitleri
seçilebilecek ve bu konuda yapılacak ıslah çalışmalarına önemli katkılar sağlanabilecektir.
Ayrıca düşük sıcaklık stres mekanizması için elde edilen bilimsel veriler, kuraklık stres mekanizmasının
açıklanmasına da olumlu katkı sağlayabilir.
(Smirnoff, 1993). Süperoksit dismutaz (SOD) süperoksidi (O- 2) H2O2’ye dönüştürmektedir. Bu
şekilde süperoksit daha düşük bir konsantrasyona indirgenmiş olur. Catalaz H2O2’yi parçalamaktadır.
Ancak Katalaz aktivitesi üşüme sıcaklıklarında ve herbisit uygulamaları gibi stres şartlarında azalmaktadır (Smirnoff, 1995b). Ascorbat Peroksidaz (APx), kloroplast ve cytosol’de bulunmakta ve oksidant olarak H2O2’yi kullanmaktadır (Asada, 1992). Ascorbate aktif oksijenin zarar seviyesini düşürmede önemli bir göreve sahiptir. Süperoksit doğrudan hidrojen peroksit ve hidroksil radikallerini azaltabilmektedir (Foyer, 1993). α-tokoferol başlıca kloroplast membranlarında bulunan yeşil fotosentetik dokularda bulunmakta ve moleküler oksijenin etkisini giderici etkiye sahiptir. Ayrıca, lipit peroksidasyonunu gidermede önemli bir role sahiptir (Smirnoff, 1995b). Bezelye yapraklarında Glutathion Reductaz (GR) aktivitesi kloroplastlarda % 70-77, mitokondride %3, cytosol’de % 20-27 olarak belirlenmiştir (Veerson vd. 1990). Elma kallus kültüründe soğuk aklimasyonu süresince Ascorbate Peroksidaz (APx) ve Peroksidaz (POD) aktiviteleri artmaya başlamış ve aklimasyonun 10. gününde maksimum seviyeye ulaştığı belirlenmiştir. Soğuk muamalesi GR ve DHAR aktivitelerinde kademeli artışa neden olmuştur. BaşkaBitkilerin Düşük Sıcaklıklara Dayanımında Hücresel ve Moleküler Mekanizmalar 164 türlerde de GR aktivitesi için benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bitki köklerindeki antioksidant sistemlerinin değişimi, henüz tam ortaya konulamamıştır (Kuroda vd. 1990, Zhao, 1998). Donma sıcaklıklarında yüksek GR aktivitesi bazı bitki türlerinde saptanmıştır. Bu durumun üşüme
toleransına katkı sağladığı düşünülmektedir (Scebba vd. 1998; Pearce, 1999; Baek vd. 2000; Kocsy vd.
2001; Baek ve Skinner, 2006;). Bitki bünyesinde SOD tarafından oksijen radikallerinin H2O2’ya dönüştürülmesi sonucu, bu maddenin dayanım mekanizması ile ilgili genlerin uyarılmasında bir
sinyal molekülü olarak görev aldığı tespit edilmiştir (Tao vd. 1998; Baek vd. 2000; Baek ve Skinner,
2006). Bitkiler lignin, süberin içeren hücre duvarı bileşenlerinin polimerizasyonunda görev aldıkları
düşünülen hücreler arası peroksidaz izoformları içermektedir. Bu peroksidazlar aşırı hassas
reaksiyonlar süresince hücre duvarı lignifikasyonunda önemli rol oynamaktadırlar. Bu nedenle, hücre duvarlarının hücreleri don zararından korumada önemli rol aldıkları kabul edilir (Baek vd. 2000). Soğuğa dayanıklı bitkilerde daha fazla fenil propanoid, tanen, lignin ve süberin birikimi olduğu saptanmıştır (Teklemariam ve Blake, 2004).
Kavakta (Populus suaveolens) Glikoz-6-fosfat dehidrogenaz (G-6PD) enzim aktivitesinin sonbahar
döneminde arttığı ve ilkbahara doğru bir azalma gösterdiği saptanmıştır. Ayrıca dallarda bu enzimin
inaktive edilmesinin zararlanmayı tetiklediği belirlenmiştir. G-6PD enzim aktivitesinin aklimasyon
uygulaması ile artış gösterdiği yonca, karaçayır, soya fasulyesi, muz bitkilerinde belirlenmiştir (Shanzhi
vd. 2002). Dona hassasiyetleri farklı olan şeftali çeşitlerinde polifenol oksidaz, katalaz ve peroksidaz
antioksidant enzimlerinin dayanım üzerine etkilerinin saptanması için bir çalışma yürütülmüştür. Kış
süresince çiçek tomurcuklarında PFO ve CAT, yaprak tomurcuklarında ise POD enzim aktiviteleri
daha büyük değişim göstermişledir. Bu enzimlerin aktiviteleri tüm çeşitlerin kışı geçiren organlarında
artış göstermiştir. İlkbaharın başlangıcıyla birlikte azalma seyrine geçmişlerdir. Çalışmada POD
aktivitesi kış başlangıcında maksimum seviyeye ulaştıktan sonra azalmış, şubat ayında bir miktar artış
göstermiştir. Bu durumun ılıman Ocak ayını takiben soğuk bir Şubat ayı periyodunun olmasından
kaynaklanabileceği belirtilmiştir (Szalay vd. 2005). Soğuk stresi sürecinde toksik seviyede H2O2
birikimini engellemek için GR aktivitesindeki artış, dayanımın devamı açısından önemlidir. Dışardan
sistein uygulandığı zaman GR aktivitesini artırdığı için dayanım artmaktadır (Kocsy vd. 2001).
Bitkide oksidatif strese neden olan aktif oksijen türevlerinin elektron taşıma sistemleri, çeşitli
indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları ile antioksidant özellikteki enzim ve maddelerle farklı
türevlere dönüşmektedir (Smirnoff, 1995b). Bunlar;
(1) O2 + e-→O -2 (2) O- 2 + e- + 2H+ → H2O2 (3) H2O2 +e- + H+ → OH. +H2O (4) OH.
+ e- + H+ → H2O
1 no’lu reaksiyonda moleküler oksijen süperokside indirgenir. Bu reaksiyon membran elektron taşıma zincirleri yoluyla olmaktadır (endogenik olarak gerçekleşir). 2, 3, 4’deki H2O2, OH
ve H2O oluşumuna neden olan indirgenmeler kimyasal reaksiyonlar yoluyla olmaktadır (ekzogenik olarak gerçekleşir). Biyolojik sistemlerde süperoksitten aktif oksijen türevlerinin oluşumu SOD ile O- 2’nin H2O2’ye dönüştürülmesi ile başlamaktadır.
(5) 2O2 - + 2H+ → H2O2 + O2 H2O2’nin indirgenmesi OH. radikalleri oluşturmaktadır. Bu reaksiyonda iyonlar katalize edicidir.(6) O2- + Fe3+ → O2 + Fe2+ (7) Fe2+ + H2O2 → OH + OH- + Fe3+
Bitki Besin Elementlerininin DonaDayanımda Etkileri
Donma/erime stresi sonucu hücrelerde iyon kaybı belirlenmiş ve bu durum membrangeçirgenliğinin kaybolmasına neden olmuştur. Don zararı olan hücrelerden kaybolan ana katyon potasyumdur (K+
). Hücre plasma membranı vasıtasıyla K+ ’un taşınımı H+ -ATPaz aktivitesi ile olduğundan, donma/erime stresi süresince H+ -ATPaz fonksiyonunda değişim olduğu belirtilmektedir. Çam yapraklarından saflaştırılan plasma membranlarında H + -ATPaz aktivitesi ölümcül donma/erime stresinden sonra kaybolduğu belirlenmiştir (Pukacki ve Pukacka, 1987). Donma/erime zararından sonra dokuların tekrar düzelebilmesi için kaybedilen iyonların (özellikle K+ ) tekrar hücrelerepompalanması gerekir (Iswari ve Palta, 1989).
Yapılan çalışmalarda H+ -ATPaz’ın bir inhibitörü olan Sodyum Vanadate uygulamasının don stresi
sonucu dokuların tekrar düzelmesini engellediği belirlenmiştir (Arora ve Palta, 1991). Don stresi
süresince plasma membranında bulunan H+ -ATPaz’ı etkileyen moleküler mekanizmalar tam olarak
anlaşılmamasına rağmen, bu değişimlerin membrandaki proteinlerin denaturasyonundan veya lipit-protein interaksiyonlarındaki değişimlerden kaynaklanabileceği belirtilmiştir (Pukacki ve Pukacka, 1987).
Düşük sıcaklığa maruz kalma, dokuda Ca+2’da geçici bir artışa neden olmaktadır (Puhakainen,
2004). Bu süreçte apoplasttan sitoplâzma sıvısına Ca akışı meydana gelmektedir. Plasma membranlarında
bulunan Ca kanalları sıcaklık düşüşüne karşı sensör görevi yaparlar (Smallwood ve Bowles, 2002).R.Aslantaş, H.Karakurt, Y.Karakurt 165 Düşük sıcaklığa maruz kalan bitkilerde hücre
membran akışkanlığında bir azalma meydana gelir. Bu durum soğuk uyartımlı genlerin çalışması için bir
sinyal özelliği taşıdığı yapılan çalışmalarda saptanmıştır.
Hücrelerarası Ca artışının yoncada, düşük sıcaklığa tepki gösteren genlerin çalışmasını uyarmada gerekli olduğu belirlenmiştir (Smallwood ve Bowles, 2002).
Malatya’da Hacıhaliloğlu kayısı çeşidine ait ağaçlarda NPK gübrelemesinin dona dayanım üzerine etkisinin araştırıldığı çalışmada, azotlu gübrelemenin kontrole göre dona dayanımı azalttığı, potasyumlu gübrelemenin ise azotlu ve fosforlu gübrelemeye göre don toleransında önemli artış sağladığı tespit edilmiştir (Muradoğlu, 1998).
Yiğit ve Güleryüz (1995) Kütahya vişnesinde potasyum sülfat gübrelemesinin soğuğa dayanım
üzerindeki etkilerini incelediği çalışmada, potasyumun bitkilerdeki dayanılılığı karbonhidrat
metabolizmasını etkileyerek arttırdığı, uygun dozlarda uygulanan K’lu gübrelerin bitki dokusunda
şeker birikimini ve osmotik basıncı artırmak suretiyle donma noktasını daha düşük sıcaklıklara çektiğini
belirlemiştir. Limon ve şeftalilerde değişik dönemlerde P, B, Mn ve Zn’nin değişik uygulamalarının sürgünlerde pişkinleşmeye katkı sağlayarak soğuğa dayanıklılığı artırdığbelirlenmiştir (Burak, 1989).
Soğuğa Dayanımda Moleküler Çalışmalar
Farklı bitki tür ve çeşitlerinde soğuğa duyarlı genlerin izolasyonu, karakterizasyonu ve soğuk
aklimasyonunun genetiğinin ortaya konulması için birçok çalışma yürütülmüştür. Soğuk uyartımlı
proteinlerin sentezi mRNA’nın translasyonunda değişimlerle olmaktadır. Yapılan çalışmalarla mRNA
profilindeki değişim ve artan dona dayanım arasında ilişki olduğu belirlenmiştir. Günümüze kadar birçok
bitkide pek çok uyartımlı gen soğuğa alıştırılan ve alıştırılmayan bitkilerden cDNA kütüphanelerinin
incelenmesiyle elde edilmiştir. Bu cDNA klonlarının nükleotit sekansları belirlenmiştir. Fakat bu izole
edilen genlerin çoğunun bilinmeyen fonksiyonlara sahip yeni polipeptitleri kodladığı belirlenmiştir
(Neven vd. 1993).
Soğuk aklimasyonu kabiliyeti ve dayanımın genetik analizi bu kompleks sürecin doğasını
göstermiştir. Çalışmaların çoğu buğday ve diğer hububat bitkilerinde yürütülmüştür. Buğday ve
odunsu bitkilerde dona dayanımın kalıtımı, çok genle kontrol edilmektedir. Hem dominant hem de resesif
genlerin kümülatif etkileri de belirlenmiştir. Buğdayda 5A ve 5D kromozomları dona dayanımda
esas etki göstermelerine rağmen, 21 kromozomun 11’inin dona dayanımda etkili olduğu belirlenmiştir
(Thomashow, 1990).
Kayın bitkisinde soğuk aklimasyonu ile ilgili yapılan çalışmada dona dayanımda etkiye sahip
olduğu belirlenen Bplti36, 36kD geninin, düşüksıcaklık yanında, kuraklık, tuz streslerine ve dıştan
ABA uygulamasına tepki gösterdiği belirlenmiş ve bu genin Arabidopsise transplante edilmesi
sonucunda bu özelliğin aktarıldığı tespit edilmiştir. Bitkide dona dayanım mekanizması ile ilgili genler,
düşük sıcaklığa tepki gösterenler (LTRE), soğuk uyartımlı genler (COR), ABA-uyartımlı genler
(ABRE) şeklinde ayrı ayrı incelenmektedirler (Puhakainen, 2004). ABA bitkilerde soğuk
aklimasyonu süreciyle ilgilidir. ABA’nın düşük sıcaklığa maruz kalan otsu ve odunsu bitkilerde
arttığı ve dıştan uygulanmasının üşüme ve don toleransında artış sağladığı belirlenmiştir. Ayrıca
bünyelerinde ABA içeriği düşük olan bazı mutant bitkilerin soğuk aklimasyonu sürecinde zarar
gördükleri saptanmıştır (Smallwood ve Bowles, 2002; Puhakainen, 2004).
Elmada in vitro şartlarda
Mondial Gala elma çeşidinde soğuk uygulaması sonucu gen ekspresyonundaki değişimlerin
incelendiği çalışmada, izole edilen MYB geninin katalaz enzim fonksiyonundan sorumlu olduğu ve
aklimasyon şartlarında aktivitesinin arttığı belirlenmiştir (Siligato et al. 2004).
Sonuç olarak, bitkiler düşük sıcaklıklar sonucu oluşan üşüme ve don stresine tolerans sağlamak ve
korunmak için farklı mekanizmalar geliştirmektedirler. Bu mekanizmaların biyofiziksel,
biyokimyasal ve moleküler olarak daha detaylı araştırılması sonucu bitkilerin soğuğa dayanımı
konusunda önemli sonuçlar elde edilebilecektir.Böylelikle dünya üzerinde bitkilerin yayılım
sınırlarını belirleyen en önemli faktörlerden biri olan düşük sıcaklıklara daha dayanıklı bitki tür ve çeşitleri
seçilebilecek ve bu konuda yapılacak ıslah çalışmalarına önemli katkılar sağlanabilecektir.
Ayrıca düşük sıcaklık stres mekanizması için elde edilen bilimsel veriler, kuraklık stres mekanizmasının
açıklanmasına da olumlu katkı sağlayabilir.
SOĞUKTAN ETKILENMEYEN YAPRAKLAR
Kuzey yarım kürenin büyük bir kısmı ormanlarla kaplıdır. Genelde kozalaklı ağaçlardan oluşan bu ormanlar daha çok soğuk iklim koşulları altındadır. Bitkilerin bu soğuk iklime karşı dayanıklı olabilmeleri içinse, diğer bitkilerden farklı bazı özelliklere sahip olmaları gerekir. Örneğin, kış mevsiminde, toprak donmuş haldeyken ağaç kökleri topraktan su alamazlar. Bu şartlar altında yaşayan ağaçlar, kış susuzluğuna dayanıklı olmalıdırlar. Bu dayanıklılığı ağacın yaprakları sağlar. Birçok kozalaklı ağacın dökülmeyen yaprakları sert ve dayanıklıdır. Yaprakların üzerindeki mumlu yüzey, suyun buharlaşma yolu ile kaybını azaltır, bu da yaprakların dökülmesini ya da su basıncı sebebiyle solmasını önler. Ayrıca kozalaklı ağaçların yapraklarının çoğu iğne şeklindedir ve dona karşı çok dayanaklıdır.
Yukardaki paragrafta yaprakların üzerlerinin mum benzeri bir madde ile kaplı olduğunu ve bu yüzden yaprakların su kaybetmediklerinden bahsedildi.Yaprak dökmeyen ağaçlar, genellikle çok fazla su kaybetmesini önlemek için bal mumu kalın bir tabaka kaplı yaprakları vardır. Çam ağaçları gibi kozalaklı, uzun dar yaprakları vardır . Yaprağının bu şekilde olması su kaybını azaltmaya yardımcı olur.
Kuzey Kutbu'na yakın yaşayan ağaçların özsuyu da özeldir. Kışın kendi sap şekerler açısından zengin olur. Şeker başka bir deyişle dondan korur bir antifriz olarak işlev görür. Şeker akçaağaçlarda sap şeker özellikle zengindir. Kuzey Amerika'da şeker akçaağaç sap yemek için toplanır.
Yaprak döken ağaçlar sonbaharda yapraklarını kaybeder ama dalları şimdiden gelecek yılki yaprakları tomurcukları vardır. Bu kış bitti ya da başka bir genç yapraklar hasar görecektir önce tomurcukları (açık) bozmamaları çok önemlidir. Yaprakları fotosentez için gereklidir, bu nedenle yaprakları bozuksa ağaç açlıktan ölecektir.
. Gün ışığı saatlerinin belirli sayıda olduğunda örneğin huş ağacı gibi bazı ağaçlar, sadece tomurcukları açılacaktır. Diğer ağaçlar tomurcukları açmadan önce soğuk bir döneme geçmesi gerekir. Örneğin, elma ağaçları kendi tomurcukları açılmadan önce 6 ila 8 hafta süreyle 7 ° C'nin altında tutulması gerekir.
Kozalaklı ağaçlar kış şartlarına dayanıklı olmalarını sağlayacak özelliklere sahiptir. Örneğin dona karşı dayanıklı, dökülmeyen, iğne şeklinde yaprakları vardır. Ayrıca yapraklarının üzerindeki mumlu yüzey suyun buharlaşma yolu ile kaybını azaltır, bu da yaprakların dökülmesini önler. Bu özelliklerin tümünün birden aynı bitki türünde bulunuyor olması elbette tesadüflerle açıklanamaz.
Yaşayan her canlı gibi yaprak da hücrelerden oluşmuştur. Yaprağı oluşturan bitki hücreleri bütün diğer hücreler gibi şuursuz ve akılsız varlıklardır. Yaprağın üzerini kaplayan mumsu tabaka da yine şuursuz hücreler tarafından üretilmiştir. Oysa yaprak adeta dışarıdan fırça ile boyanmış ve verniklenmiş gibi pürüzsüz bir mum tabakasına sahiptir.
(Kış, soğuk, ağaç, koni eğim, kar) Kışın, soğuğa dayanıklı ağaçların koni biçimindeki şekilleri, özel tasarlanmış bir yapıdır. Ağacın koni şeklinin oluşturduğu eğim, üzerine düşen karın kolaylıkla yere dökülmesini sağlar. Böylece ağacın üzerinde aşırı miktarda kar toplanmaz; ağaç dallarının kırılması önlenmiş olur. Özellikle kış aylarında çok kar yağan bölgelerde, endüstriyel ya da mimari yapılarda ve köprülerde kar yükü göz önünde bulundurularak bu tasarımın aynısı kullanılır.
Hücreler en ideal formüle sahip mumsu maddeyi üretir ve bu maddeyi en ideal oranlarda hep birlikte salgılarlar. Böylece yaprağın üzeri pürüzsüz bir şekilde mum tabakası ile kaplanmış olur. Kışın yapraklarını döken ağaçların aksine, yapraklarını dökmeyen bu bitkiler her bahar mevsiminde yeni yapraklar açarak enerjilerini artırırlar. Yeteri kadar ılık bir hava olduğunda da fotosentez yapabilir ve kısa yaz aylarında enerji kaynaklarını üremek için yoğunlaştırırlar.
Dikkat edilmesi gereken bir başka nokta da kozalaklı ağaçların koni biçimindeki şekilleridir. Bu da -yeryüzündeki her detayda olduğu gibi-özel olarak yaratılmış bir ayrıntıdır.Mimari ve inşaat mühendisliği alanında, özellikle binaların çatı bölümleri yapılırken, göz önünde bulundurulması gereken en önemli noktalardan biri kar yüküdür. Normal şartlarda yalnızca kendi yüklerini ve rüzgar yükünü taşıyan çatılar, yoğun yağan bir kardan sonra oldukça yüksek bir kar yükü etkisi altında kalırlar.Özellikle endüstriyel yapıların ve köprülerin tasarımlarında bu kar yükü etkisi büyük bir özenle hesaba katılmak zorundadır. Bu nedenle, çatılar özel bir eğim verilerek inşa edilir ve taşıyıcı sistemler kar yükü hesaba katılarak güçlendirilir.
Özellikle kışın büyük bölümünün kar altında geçtiği İsveç, Danimarka, Norveç gibi kuzey ülkelerinde evlerin tamamına yakınının çatısı koni biçiminde ve bu mühendislik hesabı gözönünde bulundurularak inşa edilir. Yoksa kar yükü çatının ve binanın üzerinde ciddi hasarlara neden olur.
Kozalaklı ağaçların şekilleri incelendiği zaman insanoğlunun mühendislik hesaplarıyla, kar yüküne karşı aldığı önlemin, ağaçlarda zaten alınmış olduğunu görürüz. Ağacın koni şeklinin oluşturduğu eğim, üzerine düşen karın kolaylıkla yere dökülmesini sağlar. Böylece ağacın üzerinde aşırı miktarda kar toplanmaz; ağaç dallarının kırılması önlenmiş olur.
Bu tasarımın bir başka harika yönü daha vardır. Söz konusu şekil yağan karın tümünün aşağı düşmesine izin vermez. Ağacın dalları için tehlikeye neden olmayacak miktarda karın dalların üzerinde kalmasına izin verir. Bu da başka bir amaca hizmet eder. Ağacın üzerinde az miktarda tutulan kar ağacı soğuktan koruyan bir örtü görevi görür ve yapraklardan nemin dışarı çıkmasını azaltarak su kaybını önler.
Derleyen:By EyyupK
Tek kelimeyle harika bir makale, paylaşım için teşekkürker.
YanıtlaSilTek kelimeyle harika bir makale, paylaşım için teşekkürker.
YanıtlaSil