KURAKLIĞA DUYARLI VE TOLERANSLI MISIR (Zea mays L. ) BİTKİSİNDE KURAKLIK STRESİ ALTINDA YAPILAN BAKIR UYGULAMALARININ OLUŞTURDUĞU OKSİDATİF HASAR VE SAVUNMA CEVAPLARININ ARAŞTIRILMASI HATİCE ÇETİNKAYA YÜKSEK LİSANS TEZİ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI T.C. SİNOP ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KURAKLIĞA DUYARLI VE TOLERANSLI MISIR (Zea mays L. ) BİTKİSİNDE KURAKLIK STRESİ ALTINDA YAPILAN BAKIR UYGULAMALARININ OLUŞTURDUĞU OKSİDATİF HASAR VE SAVUNMA CEVAPLARININ ARAŞTIRILMASI HATİCE ÇETİNKAYA YÜKSEK LİSANS TEZİ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI DANIŞMAN Yrd. Doç. Dr. Burcu SEÇKİN DİNLER SİNOP –2015 i KURAKLIĞA DUYARLI VE TOLERANSLI MISIR (ZEA MAYS L.) BİTKİSİNDE KURAKLIK STRESİ ALTINDA YAPILAN BAKIR UYGULAMALARININ OLUŞTURDUĞU OKSİDATİF HASAR VE SAVUNMA CEVAPLARININ ARAŞTIRILMASI ÖZET Bu çalışma kuraklık stresine toleranslı ve duyarlı mısır kültivarlarına (71May69, Shemal) 5 gün süre ile kuraklık stresi (%20 PEG -0.40 MPa) altında bakır (0.5 mM, 1 mM, 1.5 mM CuSO .5H O) uygulamasının mısır yapraklarında antioksidan enzim 4 2 aktiviteleri üzerine etkisini belirlemek için yapıldı. Bakır uygulaması, kontrol gruplarına göre; her iki kültivarda hidrojen peroksit (H O ) ve malondialdehit (MDA) miktarını 2 2 azaltırken; bağıl su içeriği (BSİ), bağıl büyüme oranı (BBO), stoma iletkenliği, ABA ve prolin miktarını değiştirmedi. Birlikte uygulama (kuraklık ve bakır) ise PEG kaynaklı kuraklık stresinin zararını azalttı. Kuraklık stresi altında toleranslı kültivarda; süperoksit dismutaz (SOD), katalaz (KAT), glutatyon reduktaz (GR), peroksidaz (POX) enzim aktivitelerini arttırırken; glutatyon -s- transferaz (GST) enzim aktivitesini azalttı. Askorbat peroksidaz (APX) enzim aktivitesini ise değiştirmedi. Duyarlı kültivarda SOD, KAT, APX enzim aktiviteleri azalttı. GST ve POX enzim aktivitelerini arttırırken; GR enzim aktivitesini değiştirmedi. Bunun yanında yalnız bakır uygulaması her iki mısır kültivarında; SOD, KAT ve APX enzim aktivitelerini arttırdı. Ayrıca birlikte uygulama, PEG uygulamasına göre duyarlı kültivarda; SOD, KAT, APX enzim aktivitelerini arttırırken; GR ve GST aktivitelerini sadece (PEG+ 1.5 mM) uygulaması ile arttırdı. POX enzim aktivitesi duyarlı kültivarda değişmedi. Sonuç olarak bu çalışmada mısır bitkisine dışarıdan uygulanan bakır metalinin; kuraklığa bağlı oluşan oksidatif hasarın iyileştirilmesinde, antioksidan enzim aktivitelerinin etkili olduğu tespit edildi. Anahtar kelimeler: Bakır, mısır, kuraklık stresi, antioksidan enzimler. ii INVESTIGATION OF EFFECTS OF COPPER TREATMENTS UNDER DROUGHT STRESS INDUCED OXIDATIVE DAMAGE AND ANTIOXIDANT DEFENCE RESPONSES IN DROUGHT - SENSITIVE AND DROUGHT - TOLERANT CORN (ZEA MAYS L.) PLANT ABSTRACT The present study was conducted to present the responses of drought-sensitive (Shemal) and drought-tolerant (71may69) maize cultivars under drought condition (20 % Polyethylene glycol, -0.40 MPa) and three different copper concentrations (0.5 mM, 1 mM, 1.5 mM CuSO4.5H O) for 5 days to determine the antioxidant enzyme responses 2 of copper treatment in maize leaves. Copper treatments alone did not change stomatal conductance, relative water content and growth rate, proline, hydrogen peroxide (H O ), 2 2 malondialdehyde (MDA) content decreased and abscisic acid (ABA) level according to control groups. Combined treatment (drought and copper) alleviated the damage of PEG- induced drought stress in maize leaves. Superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutatione reductase (GR), peroxidase (POX) activity increased and glutathione -S transferase (GST) activity decreased, while ascorbate peroxidase (APX) activity did not change under drought stress in the tolerant cultivar. SOD, CAT and APX decreased and GST, POX activities were increased while GR did not change in sensitive cultivar. Also SOD, APX and CAT activity increased by copper treatment alone in both cultivars. Otherwise combined treatment increased SOD, APX and CAT activity at all concentrations, but GR and GST activity increased only by (PEG+1.5 mM) treatment when compared with PEG treatment alone in sensitive ones. POX did not change in Shemal. As a result, exogenous copper alleviated drought stress, while it induced an oxidative damage by increasing antioxidant enzyme activities differently from drought tolerance. Keywords: copper, maize, drought stress, antioxidant enzymes. iii TEŞEKKÜR Yüksek lisans öğrenimim boyunca çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını esirgemeyerek akademik ortamda engin fikirleriyle yetişmeme ve gelişmeme katkıda bulunan, akademik anlamdaki katkılarının yanı sıra; çok yönlü, enerjik, sevgi ve merhamet dolu kişiliği ile kişisel gelişimime büyük katkılarda bulunan, maddi ve manevi açıdan hakkını hiçbir zaman ödeyemeyeceğim çok değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Burcu SEÇKİN DİNLER (Sinop Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Biyoloji Anabilim Dalı)’e, Laboratuvar çalışmalarım esnasında bilgi aktarımı ve cihaz temini konusunda yardımlarını esirgemeyen Sayın Doç. Dr. Yaşar ERTÜRK (Bozok Üniversitesi, Tarım ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Bahçe Bitkileri Bölümü)’e, bilimsel anlamda desteğini esirgemeyen Sayın Doç. Dr. Yasemin ÖZDENER (Ondokuzmayıs Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Biyoloji bölümü)’ e, Çalışmalarım süresince eğitime verdikleri destek ve önemi vurgulamış ve dolayısı ile katkı sağlamış olan Sinop Üniversitesi Sağlık Kültür ve Spor Daire Başkanı Hümmet DURAN ve Şube müdürü Soner PEKTAŞ’a, yazım aşamasında biçimsel düzenlemede büyük desteklerini gördüğüm diğer mesai arkadaşlarıma, Çalışmalarım esnasında yardımlarını esirgemeyen sevgili Eda TAŞÇI’ya, bilimsel çalışmalarım süresince ilgi, anlayış, maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen sevgili dostlarım Belgin AKALIN, Şefik VURAL, Ayben TÜRK ve ismini belirtmediğim bir çok arkadaşıma; Hayatım boyunca ve çalışmamın her aşamasında birçok fedakarlık göstererek beni destekleyen aileme ve ismini zikredemediğim tüm arkadaşlarıma sevgi, saygı ve şükranlarımı sunarım. Hatice ÇETİNKAYA iv İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖZET i ABSTRACT iii TEŞEKKÜR iv İÇİNDEKİLER v SEMBOLLER VE KISALTMALAR viii ŞEKİLLER VE ÇİZELGELER ixi 1.GİRİŞ 1 2. GENEL BİLGİLER 4 3. MATERYAL ve METOD 16 3.1. Bitki materyali ve Deneme düzeneği 16 3.2. Büyüme parametreleri 18 3.2.1. Uzunluk ölçümü 18 3.2.2. Yaş, Kuru Ağırlıkları 18 3.2.3. Bağıl Büyüme Oranı 18 3.2.4. Bağıl Su İçeriği 19 3.3. Klorofil içeriği 19 3.4. Stoma iletkenliği 19 3.5. Lipit peroksidasyonu (MDA) 19 3.6. Hidrojen peroksit (H O ) Miktarı 20 2 2 3.7. ABA Hormon Düzeyi 20 3.8. Prolin Miktarı 20 3.9. İçsel Kalsiyum ve Bakır Miktarı 20 3.10. Antioksidan Enzim Aktiviteleri 21 3.10.1. Süperoksit dismutaz (SOD; EC: 1.15.1.1.) Enzim ve İzoenzim Aktiviteleri 21 3.10.2. Katalaz (KAT; EC 1.11.1.6) Enzim Aktivitesi 22 3.10.3. Askorbat peroksidaz (APX; EC 1.11.1.11) Enzim Aktivitesi 22 3.10.4.Glutatyon Redüktaz (GR; EC 1.6.4.2) Enzim Aktivitesi 22 v 3.10.5. Glutatyon S- Transferaz (GST; EC 2.5.1.18) Enzim Aktivitesi 23 3.10.6. Peroksidaz (POX; EC 1.11.1.7) Enzim Aktivitesi 23 3.11. İstatistik Analizler 23 4. BULGULAR 24 4.1. Büyüme Parametrelerinin Sonuçları 24 4.1.1. Kök ve Gövde Uzunlukları 24 4.1.2. Yaş ve Kuru ağırlık 25 4.2. Bağıl Büyüme Oranı ve Bağıl Su İçeriği 30 4.3. Klorofil Miktarı 31 4.4. Stoma İletkenliği 32 4.5. Lipit Peroksidasyonu (MDA) 33 4.6. Hidrojen Peroksit (H O )Miktarı 34 2 2 4.7. Absisik Asit (ABA) Hormon Düzeyi 35 4.8. Prolin Miktarı 36 4.9. İçsel Kalsiyum ve Bakır Miktarı 37 4.10. Antiosidan Enzim Aktiviteleri 39 4.10.1. Süperoksit Dismutaz (SOD) Enzim ve İzoenzim Aktivitesi 39 4.10.2. Katalaz (KAT) Enzim Aktivitesi 42 4.10.3.Askorbat Peroksidaz (APX) Enzim Aktivitesi 43 4.10. 4. Glutatyon Redüktaz (GR) Enzim Aktivitesi 44 4.10.5. Glutatyon -s transferaz (GST) Enzim Aktivitesi 45 4.10.6. Peroksidaz (POX) Enzim Aktivitesi 46 5. TARTIŞMA 47 5.1. Büyüme Parametreleri 47 5.1.1. Uzunluk 47 5.1.2. Ağırlık 48 5.1.3. Bağıl Büyüme Oranı (BBO) 50 5.1.4. Bağıl Su İçeriği (BSİ) 50 5.2. Klorofil Miktarı 51 5.3. Stoma İletkenliği 52 5.4. Lipit Peroksidasyonu (MDA) 52 5.5. Hidrojen Peroksit (H O )Miktarı 53 2 2 5.6. ABA Düzeyi 54 vi 5.7. İçsel Bakır ve Kalsiyum Miktarı 55 5.8. Antioksidan Enzim Aktiviteleri 56 5.8.1. Süperoksit Dismutaz (SOD) Enzim ve İzoenzim Aktivitesi 56 5.8.2. Katalaz (KAT) Enzim Aktivitesi 57 5.8.3. Askorbat Peroksidaz (APX) Enzim Aktivitesi 58 5.8.4. Glutatyon Reduktaz (GR) Enzim Aktivitesi 59 5.8.5. Glutatyon S-Transferaz (GST ) Enzim Aktivitesi 60 5.8.6. Peroksidaz (POX) Enzim Aktivitesi 61 6. SONUÇLAR ve ÖNERİLER 62 7. KAYNAKLAR 63 8. ÖZGEÇMİŞ 80 vii SEMBOLLER VE KISALTMALAR SEMBOLLER % Yüzde € Ekstraksiyon katsayısı 0C Santigrat derece cm Santimetre CO2 Karbondioksit dI Deiyonize dk D a k i k a gr Gram ha Hektar kg kilogram m metre ml Mililitre mM Milimolar MPa Megapaskal O Oksijen 2 SC-1 Stoma Ölçer t1 İlk hasat t2 Son hasat zamanı UV Ultraviole viii