BİTKİLER: Stres Fizyolojisi

*

Plant stress physiology

**

HEM DOĞAL, HEM DE TARIMSAL KOŞULLAR ALTINDA, bit­kiler sıklıkla çevresel streslere maruz kalır. Hava sıcaklığı gibi bazı çevresel etmenler yalnızca birkaç dakikalığına stres oluştururken; topraktaki su içeriği gibi diğer stresler günlerce sürebilir. Toprakta­ki mineral eksikliği ise aylarca stres oluşturabilir. Optimumun altın­daki iklim ve toprak koşulların oluşturduğu stres nedeniyle, Ame­rika Birleşik Devletlerinde kültür bitkilerinin verimlilikleri kalıtsal potansiyellerinin ancak %22'sine ulaşabilmektedir.

Bunun dışında stres, toprak ve iklimin bitki türlerinin dağılışı­nı nasıl sınırlandırdığının anlaşılmasını sağlar. Bu nedenle, stresin oluşturduğu zarar bitkilerin çevresel streslere adaptasyonu ve alış­ma mekanizmalarının altında yatan fizyolojik işlemlerin anlaşılma­sı hem tarım hem de çevre açısından büyük önem taşır.

Bitki stresi teriminin kullanılmasında yeterli özen gösterilme­diği ve strese ilişkin terminoloji karmaşık olduğundan, tartışmamı­za bazı tanımlar yaparak başlayacağız. Stres çoğunlukla, bitkinin üzerinde olumsuz etki oluşturan dışsal bir etmen olarak tanımlan­maktadır. Her ne kadar yabani otlar, patojenler ve böcekler de stres oluşturuyorlarsa da, bu bölümde bitkiler üzerinde stres oluşturan çevresel ve abiyotik etmenler üzerinde durulacaktır. Stres genellik­le bitkinin yaşayabilirlik, verimlilik, büyüme (biyolojik kütle biri­kimi) ya da primer özümleme işlemleri (C02 ve mineral alınımı) dayanılarak ölçülmektedir. Bu parametrelerin tümü bitkinin büyü­mesi ile ilişkilidir.

Stres kavramı strese tolerans ile yakından ilişkilidir. Stres tole­ransı bitkinin uygunsuz ortam koşulları ile başa çıkma potansiyeli­dir. Stres toleransı daha fazla tercih edilmekle birlikte, literatürde bu terimin yerine sıklıkla strese direnç terimi kullanılmaktadır. Bir bitki üzerinde stres oluşturan bir ortam diğeri için stres oluşturamayabilir. Örneğin, bezelye (Pistim sativum) ve soyafasulyesi (Glycine max) en iyi büyümeyi sırasıyla 20°C ve 30°C'lik sıcaklıklarda gösterirler. Sıcaklık arttıkça, ısı stresinin etkileri bezelyede soya fasulyesinden önce ortaya çıkar. Yani, soya fasulyesinin ısı stresine toleransı daha yüksektir.

Bir bitkinin bir strese önceden maruz kalması so­nucu toleransı artmış ise, bitkinin alışmış olduğu ifa­de edilir (ya da direncinin artmış olduğu). Alıştırma, adaptasyondan farklıdır. Adaptasyon genellikle pek çok nesil boyunca seçilim sonucu kazanılan, genetiksel olarak belirlenmiş direncin düzeyini belirtir. Maalesef, literatürde bazen adaptasyon terimi alışma yerine kul­lanılmaktadır. Diğer yandan, daha sonra göreceğimiz gibi, gen ifadesinin alışmada önemli bir rol oynaması kavram karmaşasını arttırmaktadır.

Çevresel streslere adaptasyon ve alışma, morfo­lojik, anatomik, hücresel, biyokimyasal ve moleküler düzeyde olmak üzere, tüm organizasyon düzeylerin­de ortaya çıkan, birbirine bağlı olaylar sonucu oluşur. Örneğin, su kıtlığına yanıt olarak yaprakların solması, hem yapraktan su kaybını hem de gelen ışığı azaltır. Böylece yapraklar üzerinde ısı stresinin etkisi azalır.

Hücre döngüsü ve bölünmesi, iç zar sistemi ve vakuol oluşumu ve de hücre çeperi yapısındaki deği­şimler, strese karşı hücre düzeyinde verilen yanıtla­rıdır. Bunların tümü hücrenin strese karşı toleransını arttırır. Bitkiler çevresel streslere biyokimyasal düzey­de karşı koymak için metabolizmalarında çeşitli deği­şikliğe giderler. Bu değişimler, prolin ve glisinbetain gibi ozmotik düzenleyicileri kapsar. Son yıllarda, gen düzeyinde verilen yanıtları bir stres sinyalinin algı­lanması ile birleştiren moleküler olaylar yoğun olarak çalışılmaktadır.

Bu bölümde bu ilkelerin yanı sıra, bitkilerin su kıtlığı, tuzluluk, düşük sıcaklık ve donma, ısı ve kök rizosferindeki oksijen kıtlığına adaptasyon ve alış­ma yollarını inceleyeceğiz.  Bu stres faktörlerinden her biri­ni ayrı ayrı incelemek kolay olmasına karşın, bunların çoğu birbirleriyle ilişkilidir. Alışma ve adaptasyon ile ilgili pek çok işlem sırasında hücre, biyokimya ve mo­leküler düzeyde pek çok ortak yanıt verilir.

Örneğin su kıtlığı çoğunlukla, kök biyosferinde tuzluluk, yapraklarda ise ısı stresi (transpirasyonun düşmesi nedeniyle evaporasyona bağlı soğumanın azalmasından oluşan) ile ilişkilidir. Düşük sıcaklık ve donma suyun aktivitesinde azalma ve ozmotik strese neden olur. Ayrıca bitkilerin sıklıkla birden fazla stre­se tolerans göstereceğini de göreceğiz-yani, bir strese gösterilen tolerans diğer bir strese alışma sonucunda uyarılmaktadır. Bu davranış, birden fazla strese karşı gösterilen direnç mekanizmasının, ortak pek çok yö­nünün olduğunu göstermektedir.

SU KITLIĞI VE KURAKLIĞA DİRENÇ

Bu bölümde kuraklığa direnç mekanizmalarını incele­yeceğiz. Bu mekanizmalar birkaç tipe ayrılmaktadır. İlk olarak kurumanın ertelenmesi (dokudaki suyu koruyabilme yeteneği) ve kurumaya karşı tolerans (su kaybı sırasında işlevin yerine getirebilmesi yetene­ği) incelenecektir. Bu ikisi bazen sırasıyla, yüksek ve düşük su potansiyellerinde kuraklık toleransı olarak ifade edilmektedir. Eski literatürde sıklıkla kuraklı­ğın savuşturulması (kuraklık toleransı yerine) terimi kullanılmıştır; ancak bu terim yanlıştır, çünkü kurak­lık, onun etkisinde yaşamını sürdüren tüm bitkilerin tolere edebildikleri ve hiçbirinin savuşturamadığı bir meteorolojik koşuldur. Üçüncü bir mekanizma kurak­lıktan kaçıştır. Bu mekanizma kuraklık oluşmadan önce, yağmurlu mevsim sırasında yaşam döngüsünün tamamlanmasını kapsar.

Kurumayı erteleyenler; suyu harcamayanlar ve suyu harcayanlar olmak üzere ikiye ayrılır. Suyu harcamayanlar onu koruyarak kullanır. Bu bitkiler yaşam­larının sonraki dönemlerinde kullanmak üzere suyun bir bölümünü toprakta korurlar. Suyu harcayanlar ise aşırı miktarda su kullanırlar. Meskit ağacı (Prosopis sp) su harcayanlara bir örnek oluşturur. Kökü çok derin­lere ulaşabilen bu bitki Amerika Birleşik Devletleri'nin güney batısındaki yarı kurak otlakları tahrip etmiştir. Aşırı su kullandığından, tarımsal değeri olan çimenle­rin o alana yerleşmesini önlemiştir.

Kurağa Dayanıklılık Stratejileri İklim ya da Toprak Koşullarına Göre Değişiklik Gösterir

Su kıtlığı, bitkide su içeriğinin en yüksek olduğu durumda, en yüksek su miktarının altındaki doku ya da hücrenin herhangi bir su içeriği olarak ifade edilir. Su kıtlığı gelişimle ilgili işlemlere izin verecek yavaş­lıkta oluştuğunda, su stresinin büyüme üzerinde bazı etkileri görülür. Bunlardan biri yaprak genişlemesinin sınırlandırılmasıdır. Fotosentez çoğunlukla onunla orantılı olduğundan, yaprak alanı önemlidir. Bununla birlikte, hızlı yaprak genişlemesi suyun kullanılabilir­liğini olumsuz etkiler.

Yalnızca kış ve ilkbahar yağışlı, yazın kurak ise, bitki erkenden büyür. Bu erken büyüme yaprak ala­nında ve hızlı su tüketiminde artışa neden olur. Ayrıca bitkinin yaşam döngüsünü tamamlaması için gerekli toprak neminin azalmasına yol açar. Bu durumda yalnızca mevsim sonunda üreme için bir miktar kul­lanılabilir suya sahip olanlar ile yaşam döngülerim kuraklık başlamadan önce hızla tamamlayanlar (ku­raklıktan kaçanlar) tohum üretirler. Bu stratejilerin her biri üreme başarısına bir ölçüde katkı yapar.

Yaz yağışı önemli ise de, düzensiz olduğunda du­rum değişir. Böyle durumlarda, yaprak alanı büyük olan ya da hızlıca büyük bir yaprak alanı oluşturabi­len bir bitki nadiren ortaya çıkan nemli yaz aylarından avantaj sağlar. Bu koşullarda hem vejetatif büyüme­yi hem de çiçeklenmeyi uzun bir döneme yayabilme kapasitesi alıştırma stratejilerinden birini oluşturur. Böyle bitkiler, yalnızca kısa dönemlerde, önceden be­lirlenmiş sayıda yaprak ve çiçek üreten, sınırlı büyü­yen bitkilerin aksine, büyümesi sınırsız bitkiler olarak isimlendirilir.

Aşağıda, yaprak genişlemesinin sınırlandırılması, yaprak absisyonu, kök büyümesinde artış ve stomaların kapanması dahil, bazı alışma stratejilerini ince­leyeceğiz.

Yaprak Alanının Azaltılması Su Kıtlığı Altında Geliştirilen Adaptasyonlardan İlkidir

Bitkinin su içeriği düştükçe hücreler büzülür ve hüc­re çeperleri gevşer. Hücre hacmindeki bu azalma, hücrelerde turgor basıncının ve daha son­ra çözünmüş madde konsantrasyonunun düşmesine neden olur. Kapladığı alan azaldığından plazma zan kalınlaşır ve üzerindeki baskı artar. Turgorun azal­ması, su stresinin ilk ve önemli bir biyofiziksel etkisi olduğundan, yaprak genişlemesi ve kök uzaması gibi turgor-bağımlı etkenlikler su kıtlığına en fazla duyarlıdır.

Su stresi yalnızca turgoru azaltmakla kalmayıp, çeperin esneyebilirliğini azaltırken, ürün eşik değe­rini artırır. Çeper esneyebilirliği (m), hücre çeperinin çözeltisi hafif asidik olduğunda en büyüktür. Stres sırasında hücre çeperi pH'sı tipik olarak yükseldiğin­den, stres çeper esneyebilirliğini de azaltır. Stresin Y üzerindeki etkileri iyi bilinmemekle birlikte, stres sona erdikten sonra hücre çeperinde geriye dönüşümsüz ve karmaşık olan yapısal değişimlere neden olduğu dü­şünülmektedir. Su kıtlığı çeken bit­kiler geceleri yeniden su alırlar ve buna bağlı olarak yaprak büyür. Ancak, m ve Y'indeki değişiklikler ne­deniyle büyüme hızı, aynı turgora sahip, strese maruz kalmamış bitkilerinkinden daha düşüktür.

Yaprak genişlemesi büyük ölçüde hücre geniş­lemesine bağlı olduğundan, iki işlem altında yatan ilkeler benzerlik gösterir. Su kıtlığının erken evrele­rinde hücre genişlemesinin engellenmesi yaprak ge­nişlemesini yavaşlatır. Yaprak alanı küçüldüğünden transpirasyonla su kaybı azalır. Böylece, topraktaki kısıtlı miktardaki suyun uzun bir süre etkili bir şekilde korunmasını sağlanır. Dolayısıyla, yaprak alanındaki azalma, kuraklığa karşı oluşturulan ilk savunma hattı olarak düşünülebilir.

Sınırsız büyüyen bitkilerde, su stresi hem dalların büyümesini hem de sayısını azalttır. Bu nedenle yalnızca yaprak büyüklüğü değil, yaprak sayısı da azalır. Yaprak genişlemesinden daha az çalışılmış olmakla birlikte, stres sırasında yaprak büyümesini sınırlayan faktörler gövde büyümesini de etkiler.

Ayrıca hücre ve yaprak genişlemesi, su akışını kontrol eden biyokimyasal ve moleküler etmenlere de bağımlıdır. Bitkilerin strese yanıt olarak büyüme hızlarını değiştirdikleri yönünde pek çok kanıt bu­lunmaktadır. Bitkiler büyüme hızlarını hücre çeperi ve membran biyosentezi, hücre bölünmesi ve protein sentezi gibi pek çok önemli işlemi aynı anda kontrol değiştirirler (Burssens ve ark. 2000).

Su Kıtlığı Yaprak Absisyonunu Uyarır

Bir bitkinin toplam yaprak alanı (yaprak sayısı x her bir yaprağın yüzey alanı) yaprakların tümü olgunlaştıktan sonra sabit kalmaz. Yaprak alanı oluştuktan sonra bit­kiler strese maruz bırakılırlarsa, yapraklar sararır ve so­nuçta dökülür. Suyun sınırlı olduğu bir or­tamda yaprak alanının bu şekilde düzenlenmesi bitki­nin adaptasyonunu arttıran uzun vadeli önemli bir de­ğişikliktir. Gerçekten, çöllerde yaşayan pek çok yaprak döken bitki bir kuraklık sırasında yapraklarını döker ve bir yağmurdan sonra yenilerini oluşturur. Bu döngü bir mevsimde iki kez ya da daha fazla ortaya çıkabilir. Su stresi sırasında absisyona, büyük ölçüde içsel bir bitki hormonu olan etilen sentezinin artması ve bu hormona yanıt verilmesi neden olur.

Su Kıtlığı Sırasında Kökler Toprağın Derinliklerindeki Nemli Bölgelere Doğru Uzar

Orta şiddetteki su kıtlığı kök sisteminin de gelişimini etkiler. Kökün kütlesinin gövdeninkine oranı; kökler­den suyun alınımı ve toprak üstü kısımların yaptığı fotosentez arasındaki işlevsel denge ile belirlenir. Basitçe ifade edilirse, bir sürgün en fazla, kök­lerden su alınımının büyümenin sürmesine daha fazla izin vermediği noktaya bunun aksine, kökler, sürgünlerden gelen fotosentez ürünleri, bu organların gereksinimlerini sağlayıncaya değin büyüyecektir. Su temininin azalması durumunda bu işlevsel denge değişir.

Daha önce tartışıldığı gibi, yaprak genişlemesi su alınımı azaldığında hemen etkilenirken, fotosentez daha az etkilenir. Yaprak genişlemesinin engellenmesi karbon ve enerji tüketimini azaltır. Bunun sonucunda bitkinin özümlediği maddelerin daha büyük bir bölümü köklere gönderilerek büyümenin artması sağlanır. Ayrıca kurak toprakta kök uçları turgorlarını kaybeder.

Bu etmenlerin tümü köklerin toprağın nemli böl­gesine ulaşmasını sağlar. Su kıtlığı geliştikçe, genellikle önce toprağın üst kısmı kurur. Bu nedenle genel olarak toprak tabakalarının tümü nemli olduğunda bitkilerin kökleri derinlerine gitmez. Toprak üst tabakalarındaki su azaldıkça kökler derinlere uzanır. Köklerin, topra­ğın nemli kısımlarına ulaşmak için derine gitmesi ku­raklığa karşı oluşturulan ikinci bir savunma hattıdır.

Stres sırasında kökün toprağın nemli kısmına doğ­ru büyümesi için fotosentezde oluşturulan maddelerin büyümekte olan kök uçlarına gönderilmesi gerekir. Fotosentez ürünleri su kıtlığı sırasında kökler yerine meyvelere gönderilir. Bu nedenle kök büyümesine bağlı su alınımındaki artış vejetatif bitki­lere göre, reproduktif bitkilerde daha az belirgindir. Fotosentez ürünleri için kökler ve meyveler arasında yapılan rekabet, bitkilerin üreme sırasında su stresine daha duyarlı olmalarının nedenidir.

Stomalar Su Kıtlığı Sırasında Absisik Asite Yanıt Vererek Kapanır

Önceki bölümlerde yavaş ve uzun süren su kaybı sıra­sında bitki gelişimindeki değişiklikler üzerinde odaklanılmıştı. Stres daha hızlı oluşup, bitki yaprak geli­şimini stresten önce maksimuma ulaştırınca, bitkiyi ani kurumaya karşı verdiği diğer yanıtlar korur. Böyle koşullar altında, stoma kapanarak yaprak alanından evaporasyonla su kaybını azaltır. Dolayısıyla stomaların kapanması kuraklığa karşı üçüncü savunma hattmı oluşturur. Bekçi hücrelerine suyun alınımı ve kaybı bu hücrelerin turgorlarını değiştirerek stomaların açılıp kapanmasını sağlar. Bekçi hücreleri epidermisinde yer aldığından, evapo­rasyonla atmosfere doğrudan su kaybederek turgor­larını yitirirler. Turgorun azalması hidropasif olarak stomaların kapanmasına neden olur. Bu kapanma me­kanizması olasılıkla hava neminin düşük olduğu ko­şullarda etkilidir; çünkü hava nemi düşük olduğunda bekçi hücrelerinden su kaybı, komşu epidermis hücre­lerinden bekçi hücrelerine su taşınımını dengeleyemeyecek denli hızlıdır.

Hidroaktif kapanma olarak isimlendirilen ikinci bir mekanizma, tüm yaprak ve kökler su kaybedince stomaların kapanmasını sağlar. Hidroaktif kapanma bekçi hücrelerindeki metabolik işlemlere bağlıdır. Bekçi hücrelerinde çözünmüş madde miktarındaki azalma, su kaybına ve turgorun düşmesine neden olur ve de stomaların kapanmasını sağlar. Dolayısıyla hidroaktif kapanmanın hidrolik mekanizması stoma açılması mekanizmasının tersidir. Bununla birlikte, hidroaktif kapanma, stoma açılmasından daha farklı denetlenir.

Yaprağın su içeriğinin azalması bekçi hücrelerin­den çözünmüş madde kaybını başlatır. Bu işlemde absisik asit (ABA) büyük bir rol oynar. Mezofil hücrelerinde düşük bir hızda ve sürekli olarak sentezlenen ABA, kloroplastlarda birikme eğiliminde­dir. Mezofil hücreleri orta şiddette su kaybedince iki olgu gerçekleşir:

1.Kloroplastlarda birikmiş ABA'nın bir bölü­mü mezofil hücresinin apoplast (hücre çeperi boşluğuna)'ına bırakılır. ABA'nın eşit olmayan dağılımı, yaprak içindeki pH gradiyentlerine, ABA molekülünün zayıf asidik özellikte oluşuna ve hücre zarlarının geçirgen­liğine bağlıdır. ABA'nın eşit olmayan dağılımı, ABA'nın bir bölümünün transpirasyon akışıyla bekçi hücrelerine taşınmasını sağlar.

2.ABA daha yüksek bir hızda sentezlenir ve yaprak apoplastında daha fazla ABA birikir. Hızlı sentez sonucu ABA konsantrasyonunun artması, birik­miş ABA'nın önceden oluşan kapatıcı etkisini art­tırır ya da süresini uzatır.

Stomaların yapraktaki su kaybına verdiği yanıt, bir türün bireyleri ve türler arasında büyük farklılık gösterir. Börülce (Vigna ungiuculata) ve kasava {.Mahi- noi esculenta) gibi kurumayı erteleyen bazı bitkilerin stomaları su kıtlığına olağanüstü yanıt verir. Bu bit­kilerde stoma iletkenliği ve transpirasyon, kuraklık sırasında yaprak su potansiyeli sabitleninceye değin azalır.

Kök sisteminden gelen kimyasal sinyaller stomalann su stresine yanı­tını etkiler (Davies ve ark. 2002). Sto­ma iletkenliği, yaprak su durumun­dan çok topraktaki su ile daha sıkı ilişkilidir. Toprağın su içeriğinden doğrudan etkilenen tek bitki kısmı kök sistemidir. Aslında kök sistemi­nin yalnızca bir bölümünün su al­ması engellenirse, iyi sulanan kısım gövdelere bol miktarda su gönderse bile stomalar kapanabilmektedir.

Mısır (Zea mays) bitkilerinin kök­leri iki ayrı saksıya ayrılıp, bu saksı­lardan sadece birine su verilerek bü­yümeye bırakıldıklarında, stomalar kısmen kapanmış ve kurumayı erte­leyen bitkilerde olduğu gibi yaprak su potansiyeli artmıştır. Bu bulgular, stomaların kökler tarafından algıla­nan koşullara yanıt verebildiklerini göstermektedir. ABA'in yanında (Sauter ve ark. 2001), pH ve inorganik iyonların eşit olmayan dağılımı gibi diğer sinyaller de kökler ve toprak üstündeki sürgünler arasında uzun mesafeli sinyal geçiriminde rol oynarlar (Davies ve ark. 2002).

Su Kıtlığı Fotosentezi Sınırlandırır

Fotosentez, turgor değişimine karşı yaprak genişle­mesinden çok daha az duyarlıdır. Bu nedenle yaprak­taki fotosentez hızı (birim yaprak alanı başına ifade edilen) orta şiddetteki su stresine yaprak genişlemesi kadar yanıt vermez. Yine de, orta şiddet­teki su stresi genellikle hem fotosentezi hem de stoma iletkenliğini etkiler. Su stresinin erken evrelerinde sto­malar kapanırken su kullanma etkinliği artabilir (yani, transpirasyonla kaybedilen birim miktardaki su başına daha fazla C02 alınabilir); çünkü stomalann kapanması transpirasyonu hücreler arası C02 konsantrasyonundan daha fazla engeller.

Bununla birlikte, stresin şiddeti arttıkça, mezofil hücrelerinden suyun kaybı fotosentezi, mezofil hücre­lerinin metabolizmasını engeller ve su kullanma yete­neğini azaltır. Pek çok çalışmada, su stresinin stoma iletkenliği üzerindeki nispi etkisinin fotosentez üze­rindeki etkisinden çok daha büyük olduğunu göster­miştir. Fotosentez ve stoma iletkenliğinin su stresine verdikleri yanıt, yaprakları stres altında, C02 içeriği yüksek havaya maruz bırakılarak ayırt edilebilir. Stre­sin stoma iletkenliği üzerindeki herhangi bir etkisi, yüksek C02 tarafından ortadan kaldırılabilir. Stres al­tında ve stressiz koşullarda yetişen bitkilerin fotosen­tez hızları arasındaki farklılıklar, doğrudan su stresi­nin fotosentezde neden olduğu zarara bağlanabilir.

Su stresi taşınımı doğrudan etkiler mi? Su stresi hem fotosentezi hem de büyümekte olan yapraklarda fotosentez ürünlerinin tüketimini azaltır. Böylece, su stresi altında yapraklardan diğer kısımlara gönderi­len madde miktarı azalır. Flöemde, maddeler turgora bağlı taşındığından, stres sırasında flöemde su potansiyelinin azalması, fotosentez ürün­lerinin taşınımını engelleyebilir. Bununla birlikte, daha önceden çok engellenen fotosentez gibi diğer işlemlerin aksine, taşınım stres periyodunun sonuna değin etkilenmez.

Taşınım strese karşı duyarsız olduğundan, stresin çok aşın olduğu durumlarda bile depo maddeleri ta­şınır ve gereksinim duyulan yerlerde (örneğin, tohum büyümesi gibi) kullanılır. Fotosentez ürünlerinin taşınımının sürdürülebilmesi, bitkinin kuraklığa dayanık­lılığında anahtar bir etmendir.

Bitkideki Su Dengesi Hücrelerdeki Ozmotik Düzenleme İle Korunur

Toprak kurudukça matriks potansiyeli toprak suyununkinden daha düşük (daha negatif) olduğu sürece suyu absorblayabilir. Ozmotik düzenleme ya da hücreler tarafından çözünmüş maddelerin birik­tirilmesi, su potansiyelini azaltır. Bu sırada turgorda ya da hücre hacminde bir azalma olmaz.

Ozmotik düzenleme, hücre başına çözünmüş madde miktarının artmasıdır. Bu artış, su kaybı sonu­cu oluşan hacim değişikliklerinden bağımsızdır.  Ozmotik düzenleme, şekerler, organik asitler, amino asitler ve inorganik iyonlar (özellikle K+) gibi, bir dizi çözünmüş maddenin konsantrasyonu artırılarak ger­çekleştirilir.

Bitki hücrelerinin sitoplazmalarında, enzimler yüksek iyon konsantrasyonlarından çok fazla etkilenebilir. Ozmotik düzenleme sırasında iyonlar vakuolde biriktirilir. Böylece sitosol ve hücre içi organellerde enzimlerle temas etmeleri önlenir. İyonların farklı hücre kısımlarında bölmelendirilmelerinden sonra, hücrenin içinde su potansiyeli eşitliğinin sürdürülme­si gerekir. Bunun için sitoplazmada diğer çözünmüş maddelerin biriktirilmesi gerekir.

Denge oluşturan bu çözünmüş maddeler (ya da denge oluşturan ozmolitler) enzimlerin işlevlerini etkilemeyen organik bileşiklerdir. Bir amino asit olan prolin, şeker alkolleri (örneğin, sorbitol ve mannitol) ve glisinbetain olarak isimlendirilen bir kuaterner amin denge oluşturan çözünmüş maddelerdendir. Bu maddeler hücrelerde yaygın olarak birikirler. Bitkiler denge oluşturan çözünmüş maddeleri sentezleyerek kök zonunda giderek artan tuzluluğa karşı düzenleme yaparlar. Bu konu daha sonra tartışılacaktır.

Dokunun su kaybetmesine yanıt olarak oluşan oz­motik düzenleme yavaş gerçekleştirilir. Birkaç günlük bir sürede, diğer değişiklikler (büyüme ve fotosentez gibi) de oluşur. Dolayısıyla, ozmotik düzenlemenin su kıtlığından bağımsız ve dolaylı bir yanıt olduğu, an­cak büyüme hızındaki bir azalma gibi başka bir etmen sonucunda oluştuğu söylenebilir. Bununla birlikte, ozmotik düzenleme yapamayan yapraklara göre, ya­pabilenler su potansiyelleri düşük olduğunda turgor­larını korurlarlar. Turgorun korunması, su potansiyeli düşük olduğunda hücre uzamasının sürmesini sağlar. Ayrıca stoma iletkenliğini arttırır. Bunlar, ozmotik düzenlemenin, su kaybına direnci arttıran bir alışma biçimi olduğunu göstermektedir.

Yaprak hücrelerinde ozmotik düzenleme sonucu bitki hücreleri fazladan ne kadar su kazanabilirler? Alınabilir suyun büyük bir bölümü boşluklarda bulunur ve kökler tarafından kolayca alınır.  Toprak kurudukça ilk olarak boşluklardaki su kullanılır. Geride küçük porlara sıkıca bağlanmış küçük miktarda su kalır.

Ozmotik düzenleme, sıkıca tutulan suyun büyük bir bölümünün bitki tarafından alınmasını sağlar; ancak toplam kullanılabilir sudaki artış küçüktür. Do­layısıyla, bitkinin kullanılabilir su bulması açısından yaprakta ozmotik düzenlemenin maliyeti kazancını hızla azalmasıyla bastırılır. Bu durum, ozmotik düzenleme yapabilen ve yapamayan türlerin su ilişkile­rinin karşılaştırılmasından da görülebilir. Bu sonuçlar ozmotik düzenlemenin, kurumaya karşı toleransı arttırdığını, ancak verimlilik üzerinde büyük bir etkisinin bulunmadığını göstermektedir.

Her ne kadar yapraklardaki kadar yoğun çalışıl­mamış ise de, ozmotik düzenleme köklerde de ya­pılır. Köklerdeki düzenlemenin mutlak büyüklüğü yapraklardakinden daha küçük olmasına karşın, ilgili dokudaki çözünmüş madde potansiyeli OF) yüzdesi olarak, köklerde yapraklardakinden daha büyük ola­bilir. Yapraklardaki gibi, bu değişiklikler, önceden su kaybetmiş topraktan su alımını bir miktar arttırır. Bununla birlikte, kök meristemlerinde de ozmotik düzenleme yapılabilir. Köklerde ozmotik düzenleme, turgor artışını ve kök büyümesinin sürmesini sağlar. Toprakta su azaldıkça, meristem hücrelerinde ozmo­tik basıncın düzenlenmesi kök büyüme özelliklerinde oluşan değişikliklerin önemli bir elemanıdır.

Ozmotik düzenleme bitkilerde verimliliği arttırır mı? Araştırıcılar geleneksel bitki ıslahı, fizyolojik yön­temler (kontrollü su kıtlığı yaratılarak düzenlenmenin uyarılması), çözünmüş madde sentezi ile biriktirilme- sinden sorumlu genleri ifade eden transgenik bitki­leri kullanarak ozmotik olarak koruyucu çözünmüş maddelerin birikimini sağlamışlardır. Ancak, genleri değiştirilmiş bitkiler daha yavaş büyürler ve ozmotik strese yalnızca biraz daha fazla dirençlidirler. Bu ne­denle, tarımın performansın arttırılmasında ozmotik düzenlemenin kullanılması için henüz erkendir.

Su Kıtlığı Sıvı Haldeki Su Akışına Karşı Direnci Arttırır

Bir toprak kuruyunca, su akışına direnci, özellikle ka­lıcı solma noktası yakınında artar. Kalıcı solma noktasında (çoğunlukla -1.5 MPa), transpirasyon tümüyle dursa bile bitkiler turgorlarını yeniden kazanamaz.  Toprağın su akışına direnci çok büyük olduğundan, kalıcı solgunluk nok­tasında su köklere çok yavaş iletilir. Dolayısıyla gün­düzleri solan bitkiler kaybettikleri suyu geceleri tekrar alamaz.

Bitkinin içinde oluşan direnç kaybedilen suyun tekrar kazanılmasını, engeller. Çeşitli su kıtlığı durumlarında, bitkinin içindeki bu direnç, topraktaki dirençten daha büyüktür (Blizzard and Boyer 1980). Kuruma sırasında, suyun akışına karşı bitkinin diren­cini birkaç etmen arttırır. Bitki hücreleri su kaybettik­çe büzülür. Kökler büzülünce, kök yüzeyi suyu tutan toprak partiküllerinden uzaklaşabilir ve narin yapılı kök tüyleri zarar görebilir. Ayrıca, toprak kuruması sırasında kök uzaması yavaşladığından, korteksin dış tabakaları (hipodermis) giderek daha fazla süberinle- şir. Suya geçirimsiz bir lipid olan süberin suyun akışı­na karşı direnci artırır.

Su akışına karşı direnci arttıran diğer bir önemli etmen kavitasyon ya da ksilemde, gerilim altmda bulu­nan su sütununun parçalanmasıdır. 4. Bölümde gör­düğümüz gibi, yapraklardan yapılan transpirasyon su sütunu üzerinde bir gerilim yaratarak suyun yukarı yönde çekilmesini sağlar. Büyük gerilimlerin oluşması için gerekli kohezyon kuvvetleri yalnızca çok dar sü­tunların içinde bulunur. Su, bu sütunlar içinde çeper­lere sıkıca tutunur.

Bitkilerin çoğunda kavitasyon orta seviyedeki su potansiyellerinde (-1 ila -2 MPa) başlar ve önce en büyük trakelerde oluşur. Örneğin, meşe (Quercus) gibi ağaçlarda ilkbaharda oluşan geniş çaplı trakeler suyun bol olduğu büyüme mevsiminin başlarında direnci dü­şük olan bir yol oluşturur. Yazın toprak kuruyunca, bu geniş trakeler işlevlerini durdurur. Bu dönemde transpirasyon akıntısını taşıma işini stres sırasında oluşan, çapları küçük çaplı trakeler alır. Bu değişikliğin uzun süren sonuçlan vardır. Yeterli su bulunsa bile, direnci düşük olan orijinal yol işlevini yitirir. Bu durum, su akış kapasitesini azaltır.

Su Kıtlığı Yaprak Yüzeyindeki Mum Birikimini Artırır

Kutikulanın kalınlaştırılması gelişimle ilgili olarak su stresine karşı verilen yaygın yanıtlardan biridir. Kutikulanın varlığı, epidermisten su kaybını azaltır (kutikular transpirasyon). Mumlar, hem yüzeyde hem de kütikulanm iç tabakalarında birikirlerse de, içteki tabaka, su kaybının denetlenmesinde daha önemlidir.

Ayrıca kutikulanm kalınlığının artması C02'e ge­çirgenliği de azaltır; ancak kutikulanm altındaki epi­dermis hücreleri fotosentez yapmadığından yaprak­taki fotosentez bundan etkilenmez. Bununla birlikte, kutikuladan yapılan transpirasyon toplam yaprak transpirasyonunun yalnızca %5 ila %10'u kadardır. Bu nedenle, kutikular transpirasyon yalnızca stres çok şiddetli olduğunda ya da kutikula zarar gördüğünde (örneğin, rüzgarın sürüklediği tozlardan) önemlidir.

Su Kıtlığı Yapraklar Tarafından Enerjinin Dağıtılmasını Değiştirir

Evaporasyonla ısı­nın yitirilmesi yaprak sıcaklığını düşürür. Bu soğutucu etki çok belirgin olabilir: Kaliforniya, Death Valley'de - dünyadaki en sıcak yerlerden biri- bol su bulabilen bitkilerin yaprak sıcaklıklarının ortamın hava sıcak­lığından 8"C daha düşük olduğu bulunmuştur. Sıcak ve kurak iklimlerde tecrübeli bir çiftçi yapraklara do­kunarak bitkilerin su gereksinimlerinin olup olmadı­ğını anlayabilir. Çünkü hızlı transpirasyon yapan bir yaprak dokunulduğunda kesinlikle soğuktur. Su stresi transpirasyonu sınırlandırınca, başka bir işlem soğutu­cu etki yapmazsa yaprak ısınır. Transpirasyonun yap­rak sıcaklığı üzerindeki bu etkileri nedeniyle, su stresi ve ısı stresi birbiriyle yakın ilişkilidir.

Bitkinin yaprak sıcaklığını hava sıcaklığının çok daha altında tutabilmesi için evaporasyonla büyük miktarlarda suyu kaybetmesi gerekir. Bu, yaprakların evaporasyon dışındaki yollarla (örneğin, yaprak bü­yüklüğü ve yönelimindeki değişiklikler) soğutulması­nın suyun korunmasında neden çok etkili olduğunu gösterir. Transpirasyon azalıp, yaprak sıcaklığı hava sıcaklığının üzerine çıkınca, yapraktaki fazladan ener­jinin bir bölümü ısı kaybı olarak çevreye yayılır. Kurak bölgelerde yetişen bitkilerin çoğunun yaprakları çok küçüktür. Küçük yapraklar, yapraktan havaya ısının geçirildiği sınır tabakaların direncini en aza indirirler.

Küçük yaprakların sınır tabakalarında direnç dü­şük olduğundan, bu yaprakların sıcaklığı transpiras­yon yavaşladığında bile hava sıcaklığına yakındır. Bu­nun tersine, büyük yaprakların sınır tabaka dirençleri yüksektir. Böyle yapraklar doğrudan ısı transferiyle ha­vaya daha az termal enerji saçarlar (birim yaprak alanı başına).

Su stresi sırasında büyük yapraklı bitkilerde, yap­rak hareketi ek koruma sağlar. Kendilerini güneşe doğru yöneltmeyen bitkiler paraheliotropik olarak isim­lendirilirler; kendilerini normal olarak güneş ışığına yönelterek (perpendikular) enerji kazanan yapraklar ise diaheliotropik olarak isimlendirilirler. Solma sonucu yaprak açısının değiştirmesi solma ve çimenlerde güneşe maruz kalan doku yüzeyini en aza indiren yaprak kıvrılması da ışık alımını değiştirir.

Ayrıca enerjinin absorbsiyonu, yaprak yüzeyinde­ki tüyler ya da kutikulanın üstündeki mum tabakalarının yansıtıcı etkisiyle azaltılabilir. Sıkıca paketlenmiş tüylerin ışığı büyük ölçüde yansıtması, bazı bitkilerin yapraklarının gri-beyaz görünmesine neden olur. Bu tüylülük, ışınları yansıtarak yaprakların soğuk du­rumlarını korumasını sağlar; ancak tüyler, fotosentez­de aktif olan görünür ışığı da yansıttıklarından karbon özümlemesini de azaltırlar. Bu nedenle, kültür bitki­lerinin su kullanma yeteneklerini arttırmak için ıslah yoluyla tüylülüğün üretilmesi çabaları genel olarak başarısızlıkla sonuçlanmıştır.

Ozmotik Stres Bazı Bitkilerde Crassulacean Asit Metabolizmasını Teşvik Eder

Crassulacean asit metabolizması (CAM), stomaların geceleri açık, gündüzleri ise kapalı tutulduğu bir bitki adaptasyonudur. Transpiras­yonun oluşmasını sağlayan, yaprak ve havanın buhar basıncı arasındaki farklılık, hem yaprak hem de hava soğuğuyunca çok azalır. Bu nedenle, CAM bitkilerinin su kullanma yetenekleri, ölçülenlerin içinde en yük­sek olanıdır. Bir CAM bitkisi kullandığı her 125 g suya karşılık 1 g kuru madde kazanır. Bu oran, tipik bir C3 bitkisindekinden üç ila beş kat daha büyüktür.

CAM, kaktüs gibi sukkulent bitkilerde çok yaygın­dır. Bazı sukkulent türler fakültatif CAM özelliği gösterirler. Yani, su kıtlığı ya da tuzcul koşullara maruz kaldıklarında CAM'a dönerler.

Ozmotik Stres Genin İfadesi Olmasını Değiştirir

Daha önce belirtildiği gibi, ozmotik strese yanıt ver­mek için uyumlu çözünmüş maddelerin birikimi, böyle maddelerin sentezlenmesini sağlayan metabolik yolların aktifleştirilmesini gerektirir. Ozmotik düzenlemeden sorumlu enzimleri kodlayan bazı genler ozmotik stres ve/veya tuzluluk ve soğuk stresinin etki­siyle açılırlar. Bu genler aşağıdaki enzimleri kodlarlar (Buchanan ve ark. 2000):

1.Prolin biyosentez yolundaki anahtar bir enzim olan ∆A,-Pirolin-5-karboksilat sentaz

2.Glisin betain birikiminde rol alan betain aldehit dehidrogenaz enzimi

3.Halka yapılı bir şeker alkolü olan Pinitolün biriki­minde hız sınırlayıcı bir enzim olan myo-Inositol 6-O-metiltransferaz'dır.

Ozmotik stres iyi bilinen diğer bazı enzimleri uya­rır. Ozmotik stres sırasında Gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz daha fazla ifade olur. Bu olasılıkla, ozmo­tik düzenleme yapılabilmesi için organik çözünmüş maddelere karbon akışının artmasını sağlar. Lignin biyosentezinde yer alan enzimler de ozmotik stres ile denetlenir.

Ayrıca stres sırasında anahtar özellikte olan en­zimlerin aktiviteleri de azalır. Örneğin ozmotik stres sırasında bir şeker alkolü olan mannitol birikimi, man- nitol biyosentezinde yer alan enzimlerin genlerinin ifade olması sonucu değil, sakkaroz parçalanması ve mannitol parçalanmasından sorumlu genlerin ifade olmaması ile gerçekleşir. Böylece ozmotik stres sıra­sında mannitol birikimi artar.

Ozmotik stres ile düzenlenen diğer genler, zardan taşınım ile ilgili proteinleri kodlar (Maggio ve Joly 1995). ATPaz'lar ve suyun geçişini sağlayan kanal proteinleri, aquaporinler bunlardandır. Ayrıca stres, bazı proteaz genlerini de uyarır. Bu enzimler, stres sırasında yapısı bozulan di­ğer proteinleri parçalayabilir (uzaklaştırır ve yeniden çevrime sokar). Ubiqutin isimli protein, proteolitik parçalanma için hedef seçilen proteinleri etiketler. Arabidopsis’te ubiqutin'den sorumlu mRNA sentezi kuruma stresinden sonra artar. Ayrıca, ozmotik olarak uyarılan bazı ısı şoku proteinleri kurumanın etkisiz­leştirdiği proteinleri korur ya da renatüre eder.

Hücre genişlemesinin ozmotik strese karşı duyarlı oluşu, hücre çeperlerinin yapısal bileşimi ve bütünlüğünde yer alan proteinleri kodlayan çeşit­li genlerle ilgili çalışmaları teşvik etmiştir. Lignin biyosentezinde yer alan S-Adenozilmetionin sentaz ve peroksidaz gibi enzimleri kodlayan genlerin stres ta­rafından kontrol edildiği gösterilmiştir.

Tohum olgunlaşması sırasında doğal olarak su kaybeden embriyoların incelenmesi, ozmotik stres tarafından düzenlenen büyük bir gen grubunun bu­lunmasını sağlamıştır. Bu genler, LEA proteinleri (bu isim, embriyo oluşumunun son döneminde oluşan bazı proteinler için kullanılmaktadır; late embryogenesis abundant) olarak isimlendirilen proteinleri kodlar. Bu proteinlerin hücre zarlarının korunmasında yaşamsal bir rol oynadıkları düşünülmektedir. LEA proteinle­rinin işlevleri çok iyi bilinmekle birlikte, ozmotik stres sırasında vejetatif dokularda birikirler. Bu genler tarafından kodlanan proteinler tipik olarak hidrofilik olup, suyu kuvvetli bir şekilde bağlarlar. LEA proteinleri su kaybı sırasında suyun korunmasını ve hücre içindeki önemli proteinler ile diğer molekül­lerin kristalleşmesini önleyerek koruma sağlar. Ayrıca zar yapısının korunmasına da katkı yaparlar.

Son yıllarda, bazı bitkilerin stres altında tüm genlerini araştırmak için mikroarray teknikleri kulla­nılmıştır. Bu çalışmalar, bitki strese maruz kaldıktan sonra çok sayıda genin ifade olmasının değişikliğe uğ­radığını göstermiştir. Pirinçte, stres tarafından kontrol edilen genler, toplam genlerin yaklaşık %10'unu oluş­turmaktadır (Kawasaki ve ark. 2001).

Ozmotik stres tipik olarak ABA'in birikimine ne­den olur (Bkz. 23. Bölüm). Bu nedenle, ozmotik stres sırasında ABA'e yanıt veren gen ürünlerinin birikmesi sürpriz değildir. ABA'e duyarsız ve ABA-eksik mutantlarla yapılan çalışmalar, ozmotik stresin uyardığı çok sayıda genin, aslında stres sırasında ABA birikimi tarafından uyarıldığım göstermiştir. Bununla birlikte ABA, ozmotik stres sonucu tüm genlerin ifade olma­sını sağlayamaz. Bir sonraki kısımda tartışıldığı gibi, ozmotik stres altında bağlı düzenlenen genlerin ifade olmasından sorumlu diğer mekanizmalar henüz tam olarak bilinmemektedir.

Strese Yanıt Veren Genler, ABA'e Bağımlı ve ABA'ten Bağımsız İşlemlerle Düzenlenir

Gen transkripsiyonu, düzenleyici proteinlerin (transk­ripsiyon faktörleri), düzenledikleri genlerin promo- törlerindeki özel regülatör dizileri ile etkileşimleri ile denetlenir. Aynı sinyal (örneğin, ku­ruma ya da tuzluluk) tarafından uyarılan farklı genler, bir sinyal yolu tarafından denetlenir. Bu sinyal özel transkripsiyon faktörlerini aktifleştirir.

Stres altında uyarılan bazı genlerin promotörleri ile ilgili yapılan çalışmalar, farklı streslerde yer alan genlerin özel regülatör dizilerinin tanımlanmasını sağlamıştır. Örneğin, RD29 geni, ozmotik stres, düşük sıcaklık ve ABA tarafından aktifleştirilebilir.

ABA tarafından düzenlenen genlerin promotörleri altı nükleotid dizisi içerir. Bu diziler, ABA'e yanıt ve­ren element (ABRE) olarak ifade edilir. A BRE, olası­lıkla, ABA'e bağlı gen aktifleşmesinde yer alan transk­ripsiyon faktörlerine bağlanır. ABA'e bağımlı olarak, ozmotik stres tarafmdan düzenlenen bu genlerin promotörleri, dokuz nukletotidli alterna­tif bir düzenleyici dizi elementi içerir. Dehidrasyona (kuruma) yanıt elementi (DRE) olarak isimlendirilen bu element, transkripsiyonu düzenleyen alternatif bir protein dizisi tarafmdan tanımlanır. Böylece, ozmotik stres tarafından düzenlenen genler, ya ABA'nm etki­siyle yönlendirilen sinyal geçirim yolları (ABA'e ba­ğımlı genler) ya da ABA'ten bağımsız, ozmotik strese yanıt veren sinyal geçirim yolu ile yönlendirilir.

ABA'ten bağımsız yolla gen ifadesinin düzen­lenmesinde en az iki sinyal yolu bilinmektedir. Ozmotik strese yanıt veren genlerin promötörlerindeki DRE elementlerine bağlanarak iş gören transk­ripsiyon faktörleri (DREBİ ve DREB2 olarak isimlendiri­lir) ABA'ten bağımsız bir sinyal dizisiyle aktifleştirilir. ABA'ten bağımsız, ozmotik strese yanıt veren genler protein kinazlar tarafından kontrol edilirler. Bunlar, MAP kinaz sinyal dizisi olarak isimlendirilir. Gen ifadesindeki diğer değişimler, DREB'lerin yer al­madığı başka mekanizmalarla yönlendirilir.

Burada, hem ABA'e bağımlı hem de ABA'ten ba­ğımsız yollar olarak belirtilen, sinyal geçirme dizisin­deki bu karmaşıklık ve 'karşılıklı konuşma', ökaryot- lardaki tipik bir sinyal oluşturma biçimidir. Bu tür bir karmaşıklık, ozmotik strese adaptasyona gen ifadesi ve aracılık eden fizyolojik işlemler arasındaki ilişkinin bolluğunu yansıtmaktadır.

ISI STRESİ VE ISI ŞOKU

Yüksek bitkilerin dokularının büyük bir kısmı 45°C'nin üzerinde, uzun süren sıcaklıklarda yaşayamaz. Bü­yümesi durmuş hücreler ve su kaybetmiş dokular (örneğin, tohumlar ve polenler), su içeren ve büyü­mekte olan vejetatif hücrelere göre çok daha yüksek sıcaklıklarda yaşayabilirler. Aktif olarak büyüyen dokular 45°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda pek yaşamazken, kuru tohumlar 120°C, bazı türlerin polenleri ise 70°C'ye karşı koyabilir. Genelde, yalnızca tek hücreli ökaryotlar 50°C'nin üzerindeki sıcaklıklar­da yaşam döngülerini tamamlayabilir ve yalnızca prokaryotlar 60°C'nin üstündeki sıcaklıklarda bölünebilir ve büyüyebilirler.

Periyodik olarak kısa süreli öldürücü olmayan ısı stresinin uygulanması, çoğunlukla öldürücü sıcaklıklara karşı toleransı uyarır. Bu olay uyarılmış termotolerans olarak isimlendirilir. Uyarılmış termotoleransı yöneten mekanizmalar daha sonra incelene­cektir. Daha önce tartışıldığı gibi su ve sıcaklık stresi birbiriyle ilişkilidir. Bol su bulabilen, pek çok C3 ve C4 bitkisinin sürgünlerinde evaporasyona bağlı so­ğuma ile sıcaklığın 45°C'nin altında kalması sağlanır. Suyun sınırlayıcı olması durumunda, evaporasyonun soğutucu etkisi azalır ve doku ısınır. Nemli toprakta büyümekte olan genç bitkiler bu genellemenin dışın­dadırlar. Bitkiler kurak topraklarda yetişenlere göre, ısı stresine daha fazla maruz kalabilir. Çünkü nemli ve çıplak toprak, kurak topraklara göre daha koyu renkli olduğundan, güneş ışığını daha fazla absorblar.

Yüksek Yaprak Sıcaklığı ve Su Kıtlığı Isı Stresine Yol Açar

Opuntia ve Sempervivum gibi, pek çok CAM ve sukkulent özellik taşıyan yüksek bitki, yüksek sıcaklıklara uyum sağlamıştır. Bu bitkiler yazın şiddetli güneş ışı­ğı altında 60-65°C'lik doku sıcaklıklarına dayanabilir. CAM bitkileri gündüzleri stomalarını kapattıklarından, transpirasyonla soğuyamazlar. Bunu yerine, uzun dalga boylu (kızıl ötesi) ışınları geri yansıtarak güneş ışığından gelen ısıyı yayar ve ayrıca kondüksiyon ve konveksiyonla ısı kaybederler.

Diğer taraftan, tipik, su verilmemiş C3 ve C4 bitki­leri yaprak sıcaklığını düşürmek için transpirasyonun soğutucu etkisine bağımlıdırlar. Bu bitkilerde yaprak sıcaklığı, topraktaki su kıtlığının stomalann kısmen kapanmasına neden olduğu veya yüksek nispi nemin evaporasyonla soğuma potansiyelini azalttığı gün or­tasında, parlak güneş ışığı altında, hava sıcaklığının 4-5°C üzerine çıkabilir. Doku sıcaklığındaki bu artış­ların fizyolojik sonuçlan bir sonraki kısımda incelene­cektir.

Gündüzleri yaprak sıcaklığının artması, kuraklık ve güneş ışığının şiddetli olduğu kurak ve yarı kurak iklimli bölgelerin bitkilerinde çarpıcıdır. Isı stresi sera­larda potansiyel bir tehlikedir. Çünkü seralarda hava hareketi yavaş ve nemi yüksek olduğundan yaprak soğuması azalır. Orta düzeydeki bir ısı stresi tüm bit­kinin büyümesini yavaşlatır. Pamuk gibi sulanan bazı bitkiler ısıyı yaymak için transpirasyonun soğutucu etkisini kullanırlar. Sulanan pamuk bitkisinde, trans­pirasyonun soğutucu etkisinin artması nedeniyle ve­rimlilik artar.

Yüksek Sıcaklıklarda, Fotosentez Solunumdan Önce Engellenir

Hem fotosentez hem de solunum yüksek sıcaklıklarda engellenir; ancak sıcaklık arttıkça fotosentez hızlan so­lunum hızlarından önce azalır. Bel­li bir zaman aralığında, fotosentez ile fikse edilen CO2 miktarının solunumda serbest bırakılan CO2 miktarına eşit olduğu sıcaklık, sıcaklık kompensasyon noktası olarak isimlendirilir.

Sıcaklık kompensasyon noktasının üstündeki sı­caklıklarda; fotosentez, solunumda substart olarak kullanılmış olan karbonun tekrar kazanılmasını sağ­layamaz. Bunun sonucunda, karbonhidrat rezervleri azalır, meyveler ve sebzeler tadlarını kaybederler. Fo­tosentez ve solunum arasındaki bu dengesizlik yük­sek sıcaklığın zararlı etkilerinin başlıca nedenlerinden biridir.

Aynı bitkide sıcaklık kompensasyon noktası, gölge yapraklarında ışığa (ve ısıya) maruz kalan güneş yap­raklarından genellikle daha düşüktür. Yüksek sıcak­lıklarda solunum hızının fotosentez hızından yüksek olması, C3 bitkilerine C4 ve CAM bitkilerinden daha fazla zarar verir. Bunun nedeni C3 bitkilerinde hem karanlık solunumu hem de fotorespirasyonun yüksek sıcaklıklarda artmasıdır.

Düşük Sıcaklıklara Uyum Sağlamış Bitkilerin Yüksek Sıcaklıklara Alışma Yetenekleri Düşüktür

Belli bir sıcaklığa kalıtsal olarak uyum sağlamış bit­kilerin birbirine zıt sıcaklık aralığına alışma yeteneği, iki farklı C4 bitkisinin verdiği yanıtlar karşılaştırılarak anlaşılabilir: Atriplex sabulosa (karapazı, Chenopodiaceae familyası) ve Tidestromia oblongifolia (Arizona honey- sweet, Amaranthaceae familyası).

A. sabulosa kuzey Kaliforniya'nın kıyılarındaki so­ğuk iklimli yerlerde, T. oblongifolia ise, pek çok bitki türü için öldürücü olan bir sıcaklık rejiminin hüküm sürdüğü, Kaliforniya, Death Valley'de yaşamaktadır. Bu türler kontrollü bir ortamda büyütülerek büyüme hızlan sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçülmüştür. Bu deneylerde, T. oblongifolia 16°C'de zorlukla büyürken, A. sabulosa maksimum büyüme hızının %75'ine ulaş­mıştır. Bunun aksine, A. sabulosa'nın büyüme hızı 25 ve 30°C arasında azalmaya başlamış ve 45°C'de büyü­me durmuştur. Bu sıcaklıkta T. oblongifolia maksimum büyüme göstermiştir. Açık bir şekilde, türlerin hiçbiri diğerinin sıcaklık aralığına alışamamıştır.

Yüksek Sıcaklık Zarın Yapısının Kararlılığını Azaltır

Çeşitli hücresel zarların yapısının kararlılığını koruması üşüme ve donma sırasında önemli olduğu ka­dar yüksek sıcaklık sırasında da önemlidir. Yüksek sıcaklıklarda zar lipitlerinin aşırı akışkan oluşu, zarın fizyolojik işlevinin kaybını gösterir. Zakkum (Nerium oleander)'un yüksek sıcaklıkta yaşayabilmesi, zar lipit­lerindeki doymuş yağ asitlerinin miktarının fazla ol­masının bir sonucudur (Raison ve ark. 1982). Doymuş yağ asitleri zarlardaki akışkanlığı azaltır.

Yüksek sıcaklıklarda, zarın akışkan fazının için­deki proteinlerin polar gruplan arasındaki hidrojen bağlan ve elektrostatik etkileşimleri azalır. Bu nedenle yüksek sıcaklıklar zarın bileşim ve yapısını değiştirir ve iyonların sızmasına neden olabilir. Zarlardaki bozulma aynı zamanda, fotosentez ve solunum gibi işlemlerin engellenmesine de neden olabilir. Çünkü her iki işlem de zarlardaki elektron ta­şıyıcıları ve enzimlerin aktivitesine bağımlıdır.

Fotosentez yüksek sıcaklığa özellikle duyarlıdır Atrip­lex ve Tidestromia ile yapılan çalışmalarda, fotosistem Il'deki elektron taşınımının yüksek sıcaklığa karşı soğuğa uyum sağlamış A. sabulosa'da ısıya uyum sağ­lamış olan T. oblongifolia'dan daha duyarlı olduğunu bulmuşlardır. Bu bitkilerde yüksek sıcaklıklarda ribuloz-l,5-bifosfat karboksilaz, NADP:gliseraldehit-3-fos- fat dehidrogenaz ve fosfoenolpirüvat karboksilaz'ın A. sabulosa'da T. oblongifolia'dan daha az kararlı olduğu saptanmıştır.

Bununla birlikte, bu enzimlerin denatüre olduğu ve aktivitelerini kaybettikleri sıcaklıklar, fotosente­zin azalmaya başladığı sıcaklıklardan belirgin olarak daha yüksektir. Bu sonuçlar, fotosentezde ısı zararının başlangıç evrelerinin zarın yapısındaki değişiklikler ve proteinlerdeki genel bir bozulmadan çok, kloroplastlardaki enerji transfer mekanizmalarının eşleşmesi ile ilişkili olduğunu göstermektedir.

Bazı Adaptasyonlar Yaprakları Aşırı Isınmaya Karşı Korur

Güneş ışınlarının şiddetli ve sıcaklığın yüksek olduğu ortamlarda bitkiler güneş ışınlarının absobsiyonunu azaltarak yapraklarının aşırı ısınmasını önlerler. Bu tür bir adaptasyon, sıcak ve güneşli ortamlarda önemlidir. Çünkü böyle ortamlarda transpirasyon yapan bir yaprağın sıcaklık toleransı üst sınırına yakındır. Bu koşullarda evaporasyonun azalması ya da enerji absorbsiyonun artması sonucunda yaprağın aşırı ısın­ması ona zarar verebilir.

Hem kuraklığa hem de ısıya adaptasyon meka­nizmaları aynıdır. Bunlar; yaprakta ışınları yansıtıcı tüylerin ve mumların varlığı; yaprak kıvrılması; yap­rakların dikey konumlanması; küçük ve parçalı yap­rakların üretilmesidir. Küçük ve parçalı yapraklar smır tabaklarını en aza indirerek konveksiyon ve iletme ile ısı kaybını maksimuma çı­karırlar. Bazı çöl çalıları -örneğin, beyaz çalı (Encelia fcırinosa, Compositae familyası)- aşırı ısınmayı savuştur­mak için dimorfik yapraklar üretir. Bu bitkide kışları yeşil ve neredeyse tüysüz olan yaprakların yerini ya­zın beyaz tüylü yapraklar alır.

Bitkiler Yüksek Sıcaklıklarda Isı Şoku Proteinleri Üretir

Sıcaklıkta aniden ortaya çıkan 5-10°C'lik artışlara yanıt olarak bitkiler ısı şoku (HSPSs) olarak isimlendirilen özgün, bir dizi protein üretirler. HSPs'lerinin çoğu moleküler şaperonlar olarak etki gösterirler. Isı stresi hücrede enzimler ya da yapısal bileşenler olarak iş gö­ren pek çok proteinin yanlış katlanmasına neden olur ya da katlanmasını önler. Bunun sonucunda enzimle­rin yapısı bozulur ve aktiviteleri kaybolur.

Bu tür yanlış katlanmış proteinler çoğunlukla kü­meleşip çökelerek hücrede önemli sorunlar yaratır. HSPs'ler moleküler şaperonlar olarak iş görür. Ayrıca yanlış katlanmış ve kümelenmiş proteinlerin uygun bir şekilde katlanmasını sağlar ve yanlış katlanmasını önler. Dolayısıyla, stresli ortamlarda hücrelerin işlev­lerini sürdürmeleri sağlanır.

Isı şoku proteinleri ilk olarak sirke sineği (Dro­sophila melanogaster)'inde keşfedilmiştir. O zamandan bu yana bitkiler, mantarlar ve mikroorganizmaların yanında, diğer hayvanlar ve insanlarda bulunmuş­tur. Örneğin, soya fasulyesi fideleri aniden 25°C'den 45°C'ye getirildiklerinde (öldürücü sıcaklığın hemen altında), hücrede yaygın olarak bulunan mRNA ve protein dizilerinin sentezi baskı altına alınırken, sa­yıları 30 ila 50 arasmdaki diğer proteinler (HSPs)'in transkripsiyonu ve translasyonu artar. Yeni mRNA transkripsiyonları ısı şokundan 3 ila 5 dakika sonra oluşur (Sachs ve Ho 1986).

Bitkilerde ısı şoku proteinleri doğada nadiren gö­rülen ani sıcaklık değişimleri 25 ila 45°C altında belir­lenmiş ise de, doğal ortamdaki gibi sıcaklığın göreceli olarak artmasıyla da sentezlenmektedirler. Ayrıca bitkilerde tarla koşullarında da oluşmaktadırlar. Bazı HSPs'leri stressiz ortamda bulunan hücrelerde de olu­şur. Hücredeki bazı önemli proteinler HSPs'lerine ho­molog olmakla birlikte, sıcaklık stresine yanıt olarak oluşmaz (Vierling 1991).

Bitkiler ve diğer organizmaların pek çoğu sıcaklık­taki artışları altında farklı büyüklükte HSPs'ler üretir­ler. HSPs'lerinin moleküler kütleleri 15 ila 104 kDa (kilodalton) arasında değişir. Büyüklüklerine göre beş sınıfa ayrılırlar. Nukleus, mitokondri, kloroplastlar, endoplazmik retikulum ve sitoplazmada farklı HSPs'ler bulunur. Moleküler şaperonlar olarak iş gö­ren HSP60, HSP70, HSP90 ve HSP100 grupları pro­teinlerin ATP'a bağımlı kararlılıklarının sürmesinde, katlanmalarında ve oligomerik proteinlerin bir araya toplanmalarında rol alırlar. Bazı HSPs'leri polipeptidlerin zarlardan hücredeki çeşitli bölmelere taşınımına yardım ederler. HSP90 hayvan hücrelerindeki hormon reseptörleri ile ilgili olup, onların aktifleşmesi için ge­reklidir. Bununla birlikte, bitkilerle ilgili karşılaştırıl­malı bilgi yoktur.

Düşük moleküler ağırlıklı (15-30 kDa) HSPs'leri yüksek bitkilerde diğer organizmalardan daha fazla­dır. Bitkilerin beş ila altı sayıda düşük moleküler ağır­lıklı HSPs'leri içermelerine karşın, diğer ökaryotlarda yalnızca bir sınıf bulunur (Buchanan ve ark. 2000). Bitkilerde sitoplazma, kloroplastlar, ER ve mitokond- rilerde 15-30 kDa moleküler ağırlıklı HSPs'lerinin farklı sınıfları (smHSPs) dağılım gösterirler. Bu küçük HSPs'lerin işlevleri iyi bilinmemektedir.

HSPs'leri sentezlemek için uyarılmış hücrelerde sıcaklık toleransı artar ve öldürücü sıcaklıklara daya­nabilirler. HSPs'lerinin bazıları yüksek sıcaklık stresi­ne özgü değildir. Su kıtlığı, ABA uygulaması, yaralan­ma, düşük sıcaklık ve tuzluluk gibi çok farklı çevresel stresler bu tür HSPs'lerini uyarabilirler. Dolayısıyla, önceden herhangi bir strese maruz kalmış olan hüc­reler başka bir strese karşı kendilerini koruyabilirler. Nitekim ısı şokunun (38°C'de 48 saat); 21 günlüğüne 2°C'lik bir düşük sıcaklıkta yetiştirilen domates bitki­lerinde HSP birikimini arttırdığı ve hücreleri düşük sıcaklığa karşı koruduğu saptanmıştır.

Isı Şoku Altında Bir Transkripsiyon Faktörü HSP Birikimini Yönetir

Hücrelerin tümü, yapısal olarak ifade olan ve HSPs'leri gibi iş gören moleküler şaperonlar içermektedir. Bu şaperonlar ısı şoku benzeri proteinler olarak isimlen­dirilirler. Bununla birlikte, hücreler stres oluşturan an­cak öldürücü olmayan ısıya maruz kalınca, HSPs'lerin sentezi belirgin biçimde artarken diğer proteinlerin transkripsiyonları dramatik olarak azalır ya da durur. Isı şokuna verilen bu yanıta, HSPmRNA'nın transk­ripsiyonu üzerinde iş gören, özgün bir transkripsiyon faktörünün (HSF) aracılık ettiği sanılmaktadır.

Isı stresi yokluğunda HSF, DNA'e bağlanamayan ve transkripsiyonu yönlendiremeyen monomerler halinde bulunur (Şekil 25.11). Stres, monomerlerin trimerlere dönüşmesine neden olur. Trimerler ancak bundan sonra ısı şoku elementleri (HSEs) olarak ifade edilen, DNA'daki özel dizi elementlerine bağlanabilir­ler. Trimerik HSF HSE'ye bağlandıktan sonra fosforlanır ve HSP mRNA'larının transkripsiyonunu arttı­rır. Daha sonra HSP70 HSF'ye bağlanarak HSF/HSE kompleksinin ayrışmasını sağlar. Bundan sonra HSF yeniden monomerik HSF formuna dönüşür. Böylece, HSF'nin etkisiyle, HSPs HSF'e bağlanacak bolluğa eri­şir ve HSPmRNA üretiminin durmasmı sağlar.

Isı Şoku Proteinleri Sıcaklığa Tolerans Gösterilmesinde Rol Alırlar

Bitkilerde sıcaklık toleransını uyaran koşullar HSPs'lerinin birikimini uyaran koşullarla benzeşir; ancak bu ilişki, tek başına, HSPs'lerinin ısı stresine alışmada önemli bir rol oynadıklarını kanıtlamaz. Arabidopsis'te, aktifleşmiş bir HSF'nin ifade olmasının HSPs'lerinin sentezini uyardığı ve sıcaklığa karşı tole­ransını arttırdığı gösterilmiştir. HSP70 sentezini azal­tıcı bir antisens DNA dizisi içeren Arabidopsis bitkileri ile yapılan çalışmalar, mutant bitkilerin normal sıcak­lıklarda büyüyebildiklerini, ancak tolere edebildikleri aşırı yüksek sıcaklığın 2°C azaldığını göstermiştir (Lee ve Schoeffl 1996).

Üretilen tüm HSPs'lerinin sentezlenememesinin bitkinin sıcaklık toleransını dramatik olarak kaybetti­receği ileri sürülmüştür. Hem Arabidopsis mutantları (Hong ve Vierling 2000) hem de transgenik bitkilerle yapılan diğer çalışmalar, en azından HSPlOl'in, bitkilerde hem yapısal hem de uyarılmış sıcaklık toleransı­nın kritik bir elemanı olduğunu göstermiştir.

Sitoplazmik Kalsiyum, Isı Stresine Adaptasyona Aracılık Eder

Metabolik yollarda yer alan çeşitli enzimlerin sıcaklığa yanıtları farklı olabilir. Sıcaklığa bağlı, kararlılıkta gö­rülen bu farklılıklar metabolizmadaki özel basamakları etkileyebilir. Bu etki, HSP'lerinin moleküler şaperon ka­pasiteleri ile enzimlerin aktivitesini iyileştirilmelerinden önce ortaya çıkar. Bu nedenle ısı stresi bazı metabolitlerin birikimine, diğerlerinin ise azalmasına yol açarak metabolizmayı değiştirebilir. Bu tür değişiklikler meta­bolik yolların işlevini dramatik bir şekilde değiştirebilir ve düzeltilmesi zor dengesizliklere neden olabilir.

Ayrıca ısı stresi, protonların üretildiği ya da tüke­tildiği metabolik reaksiyonların hızını değiştirebilir ve protonları sitoplazmadan apoplasta ya da vakuollere pompalayan ATPaz'ların aktivitesini etkileyebilir.  ATPazların akivitelerinin etkilenmesi stres sırasında asitleşmeye neden olur. Asitleşme ise başka metabolik bozukluklara yol açar. Hücreler, ısı stresinin metabolizma üzerindeki bu tür etkilerini iyileştiren me­tabolik iyileştirme mekanizmalarına sahiptir.

Proteinik olmayan bir amino asit olan y-amino- bütirük asit (GABA) biriktirilmesi, ısı stresine alışma mekanizmalarından biridir. GABA, stres altında bulun­mayan bitkilere göre ısı stresine maruz kalmış bitkiler­de, altı ila on kat artar. GABA, glutamat dekarboksilaz (GAD) enzimi tarafından, tek bir reaksiyon ile L-glutamat amino asitinden sentezlenir. GAD, akti vitesi, kalmodulin tarafından yönlendirilen birkaç enzimden biridir. Kalmodulin, kalsiyumca aktifleştirilen düzenleyici bir proteindir, Kalsiyumca aktifleştirilen kalmodulin GAD'ı ak­tifleştirir ve GABA'in biyosentez hızını artırır (Snedden ve ark. 1995). Kalsiyumu algılayıcı bir protein olan aequorin genine sahip transgenik bitki­lerde yüksek sıcaklık stresinin sitoplazmadaki kalsi­yum düzeylerini arttırdığı gösterilmiştir. Bu artışlar, kalmodulinin yönlendirdiği GAD'ı aktifleştirmiş ve GABA birikimini sağlamıştır.

GABA memelilerin beyin dokusunda önemli bir sinyal molekülü olmasına karşın, bitkilerde bir sinyal molekülü olduğuna ilişkin kanıt yoktur. GABA'in ısı stresine direnç gösterilmesindeki olası işlevi araştırıl­maktadır.

UŞUTUCU VE DONDURUCU SICAKLIKLAR

Üşütücü sıcaklıklar normal büyüme için çok düşük olmakla birlikte, buz oluşturmak için yeterli değildir. Tropik ve subtropik türler üşütücü sıcaklıklara duyarlıdır. Kültür bitkileri arasında mısır, fasulye, pirinç, domates, salatalık, tatlı patates ve pamuk düşük sı­caklıklara duyarlıdır. Passiflora, Cokus ve Gloxinia ise duyarlı süs bitkileri arasındadır.

Nispeten yüksek sıcaklıklarda (25 ila 35°C) yetişen bitkiler 10 ila 15°C'ye getirildiklerinde üşüme zararı oluşur: Büyüme yavaşlar, yapraklarda renk kaybı ya da lezyonlar oluşur ve yapraklar uzun süre suda bı­rakılmış gibi ıslak bir görünüm alırlar. Kökler düşük sıcaklığa maruz kalınca bitki solabilir.

Üşütücü sıcaklıklara duyarlı bitkilerin düşük sı­caklıklara verdikleri yanıtlar değişiklik gösterir. Yük­sek enlemle ilişkili, bağlı düşük sıcaklıklara karşı olu­şan kalıtsal adaptasyon, üşümeye karşı direnci artırır. Ayrıca bitkiler, önceden düşük, ancak za­rar oluşturmayan sıcaklıklara maruz bırakıldıklarında dirençleri artar. Alışma, yavaş ve göreceli ise düşük sıcaklık zararı en aza iner. Isı şoku olarak isimlendiri­len, 0°C'ye yakın sıcaklıklara aniden maruz bırakma, zarar riskini çok arttırır.

Diğer yandan donma zararı, suyun donma nokta­sının altındaki sıcaklıklarda oluşur. Üşütücü sıcaklıkta olduğu gibi, donmaya karşı toleransın uyarılması için belli bir süre düşük sıcaklıklara alışmak gerekir.

Aşağıda, üşütücü sıcaklığının zarın yapısını nasıl değiştirdiğini ve buz kristallerinin hücrelere ve doku­lara nasıl zarar verdiğini tartışacağız. Ayrıca, ABA'in genlerin ifade olmasının ve protein sentezinin donma­ya karşı aracılık ettiğini inceleyeceğiz.

Düşük (Üşüten) Sıcaklık Zararı Zarın Özelliklerini Değiştirir

Düşük (üşüten) sıcaklıktan zarar gören bitkilerin yap­raklarında fotosentez azalır, karbonhidrat taşınımı yavaşlar, solunum hızı düşer, protein sentezi engelle­nir ve mevcut proteinlerin parçalanma hızı artar. Bu yanıtların tümü, üşüme sırasında zarın işlev kaybına bağlıdır.

Örneğin, sıcaklığı 0°C sıcaklıktaki bir suda yüzdü­rülen, üşütücü sıcaklıklara duyarlı Passiflora maliformis yapraklarından çözünmüş maddeler sızarken, dirençli Passiflora caerulea (çarkıfelek çiçeği)'da bu tür madde­ler hücrenin içinde kalmıştır. Çözünmüş maddelerin dışa akması plazma zarının, olasılıkla da tonoplastın zarar gördüğünü göstermektedir. Fotosentez ile solu­numun engellenmesi ise kloroplast ve mitokondri zar­larının zarar gördüğünü gösterir.

Zarlar neden düşük sıcaklıklardan etkilenmekte­dir? Proteinler ve steroller, bir çift lipit tabakadan olu­şan bitki zarlarının içine girer. Lipitlerin fiziksel özellikleri, H+-ATPazTarın, taşıyıcı­ların ve metabolizmanm bağımlı olduğu enzimlerin taşmımını etkiler. Ayrıca, iyonların ve diğer çözün­müş maddelerin (Bkz. 6. Bölüm) taşınımını düzenle­yen, kanal biçimindeki proteinler dahil, integral zar proteinlerinin aktivitesini etkiler.

Üşütücü sıcaklıklara duyarlı bitkilerde, çift taba­kadaki zar lipitlerinde doymuş yağ asidi oram yüksek­tir. Bu tür zarlar 0°C'nin oldukça üzerindeki sıcaklıkta, yarı kristal haldedirler. Çift bağ içermeyen doymuş yağ asitlerinin ve trans-tekli doymuş yağ asitleri içe­ren lipitlerin, doymamış yağ asitleri içeren lipitlerden oluşan zarlara göre, daha yüksek sıcaklıklarda katılaş­tığını unutmayınız.

Zarların akışkanlığı azaldıkça, içerdikleri protein­ler normal işlevlerini yerine getiremez. Bunun sonu­cunda, H'-ATPaz'ın aktivitesi, hücre içine ve dışına çözünmüş madde taşınımı, enerji iletimi ve enzime bağımlı metabolizmanm engelle­nir. Ayrıca, düşük sıcaklıklara duyarlı bitkiler yüksek foton akışlarına ve üşütücü sıcaklıklara maruz bırakıl­dıklarında ışık tarafından engellenir. Bunun sonucunda fotosentez yapan makine akut za­rar görür.

Üşütücü sıcaklığa dirençli bitkilerin zar lipitlerin­deki doymamış yağ asitlerinin oranı, üşütücü sıcak­lıklara duyarlı bitkilerinkinden fazladır. Düşük sıcaklılara alışma sırasında desatüre sağlayan enzimler ve doymamış lipitlerin oranı artar. Bu değişiklik, zar lipit­lerinin yarı akışkan bir halden yarı kristal hale geçtiği sıcaklığı düşürür. Böylece, zarların düşük sıcaklıklar­da akışkan kalması sağlanır. Dolayısıyla yağ asitleri­nin desatürasyonu düşük sıcaklık zararına karşı bir ölçüde koruma sağlar.

Zar lipitlerinin düşük sıcaklıklara direnç gösterilmeşindeki önemleri, mutant ve transgenik bitkilerde gösterilmiştir. Bu bitkilerde belli enzimlerin aktivitesi, düşük sıcaklığa uyum sağlamadan bağımsız olarak, zar lipitlerinin bileşiminde özel değişikliklere yol açar. Örneğin, erime noktası yüksek olan (doymuş) zar lipitleri­ni arttırmak için Escherichia coli'den Arabidopis'e bir gen aktarılmıştır. Bu gen, geni değiştirilmiş bitkilerin düşük sıcaklığa duyarlılıklarını büyük ölçüde arttırmıştır.

Benzer şekilde, Arabidopsis'in fabl mutantları, özellikle 16:0 olmak üzere, doymuş yağ asidi oranla­rını arttırmıştır. 3 ila 4 hafta süreyle düşük sıcaklıklara maruz bırakı­lan bu mutantta fotosentez ve büyüme göreceli olarak engellenmiş ve sonuçta kloroplastlar parçalanmıştır. Üşütücü olmayan sıcaklıklarda ise, bu mutant, yaba­ni tipteki kontrol bitkiler kadar büyüme göstermiştir.

Buz Kristallerinin Oluşması ve Su Kaybı Hücrelerin Ölümüne Neden Olur

Doğal koşullar altında dondurucu sıcaklıklara tolerans gösterme yeteneği dokular arasında büyük farklılık gös­terir. Tohumlar, su kaybetmiş diğer dokular ve mantar sporları mutlak sıfır yakınındaki sıcaklıklarda (0 K, ya da -273°C) sınırsız korunabilirler. Bu durum, aslında çok düşük sıcaklıkların zararlı olmadığını gösterir.

Hiç su kaybetmemiş vejetatif hücreler, hücre içi organelleri parçalayabilen, büyük ve yavaş büyüyen buz kristallerinin oluşumunu engelleyecek çabuklukta soğutulunca canlılıklarını koruyabilmektedirler. Hız­lı donma sırasında oluşan buz kristalleri mekaniksel zarar oluşturmayacak kadar küçüktür. Bunun aksine, küçük buz kristallerinin zarar verecek boyuta ulaşma­sını ya da süblimleşme ile su buharı kaybım önlemek için, donmuş dokunun hızla ısıtılması gerekir. Bunla­rın her ikisi de orta derecedeki sıcaklıklarda (-10 ila -100°C) gerçekleşir.

Doğal koşullar altında, bütünlüğü bozulmamış, çok hücreli bitki organları hücrelerde küçük ve zarar­sız buz kristalleri oluşmasını sağlayacak kadar hızlı soğumazlar. Buz çoğunlukla, ilk olarak hücreler arası boşluklarda ve trakelerde oluşur. Trakelerdeki buz­lanma giderek yayılır. Buz oluşumu dirençli bitkiler için öldürücü değildir. Eğer ısıtılırsa doku tamamen eski haline döner. Bununla birlikte, bitkiler uzun süre dondurucu sıcaklıklara maruz bırakılırsa, hücreler arasında oluşan buz kristalleri protoplazmadaki su­yun buz kristallerinin bulunduğu hücrenin dışına akmasına neden olur. Böylece hücre çok su kaybeder.

Hızlı donma sırasında, vakuol dahil, protoplast aşırı soğur; yani, hücre içindeki su teorik donma nok­tasının birkaç derece altındaki sıcaklıklarda sıvı halde kalır. Bir buz kristalinin oluşması için birkaç yüz mo­lekül gerekir. Yüzlerce su molekülünün kalıcı bir buz kristali oluşturmak için başlattığı bu işlem buz çekirdeklenmesi olarak isimlendirilir. Buz çekirdeklenmesi bu işlemde yer alan yüzeylerin özelliklerine çok bağ­lıdır. Buzlanmayı kolaylaştıran bazı büyük polisakkaritler ve proteinler buz çekirdeği oluşturucularıdır.

Bakteriler tarafından üretilen bazı buz çekirdeği oluşturucuları, proteinin içindeki amino asit dizileri boyunca su moleküllerinin bir araya toplanmasını sağ­layarak buz çekirdeklenmesini kolaylaştırır. Bitki hücre­lerinde, buz kristalleri, içsel buz çekirdeği oluşturucu­larından gelişmeye başlar. Daha sonra, hücre içindeki nispeten büyük buz kristalleri hücreye büyük zarar ve­rir. Büyük buz kristalleri çoğunlukla öldürücüdür.

Buz Oluşumunun Sınırlandırılması Donmaya Karşı Toleransı Arttırır

Özelleşmiş bazı bitki proteinleri, oluşumunu engel­leyerek buz kristallerinin büyümesini önler. Bu etki, suyun donma noktasının düşürülmesinden bağımsız olup, çözünmüş maddelerin varlığına bağlı oluşur. Düşük sıcaklıklar altında oluşan bu antifriz proteinleri, buz kristallerinin yüzeylerine bağlanarak onların bü­yümesini engeller.

Çavdar yapraklarında antifriz proteinler hücreler arası boşlukları kuşatan hücrelerde bulunur. Dolayı­sıyla epidermis hücrelerinde ve hücrenin dışında buz oluşumunu engellerler. Bitkiler ve hayvanlarda buz kristallerinin oluşumu benzer mekanizmalarla sınırlandırlabilir. Arabidopsis'te düşük sıcaklık ile uyarılan bir gen, kış dilbalığında bir antifriz proteini kodlayan bir genin eşdeğeri bir DNA'ya sahiptir. Antifriz prote­inleri daha sonra ayrıntılı incelenecektir.

Şekerlerin ve düşük sıcaklığın uyardığı bazı pro­teinlerin soğuğa karşı koruyucu (Kryoprotektif, cryo = 'soğuk') etkileri olduğu sanılmaktadır; bu protein­ler düşük sıcaklığın uyardığı su kaybı sırasında pro­teinlerin ve zarların kararlılığını arttırmaktadır. Kışlık buğdayda sakkaroz konsantrasyonundaki artış, don­maya karşı toleransı arttırır. Sakkaroz donmaya karşı toleransın oluşmasında yer alan başlıca şekerdir. Sak­karoz bağlaşık (koligatif) olarak iş görür; ancak bazı türlerde rafinoz, fruktanlar, sorbitol ya da mannitol benzer işlevi görür.

Kışlık tahılların soğuğa alışırken, hücre çeperle­rinde çözünebilir şekerler birikerek buz büyümesini sınırlandırırlar. Soğuğa alıştırılmış lahana (Brassica oleraceae) yapraklarından soğuğa karşı koruyucu bir glikoprotein izole edilmiştir. Bu protein in vitro'da, so­ğuğa alışmamış ıspanak (Spinacia oleracea) yaprakları­nı donma zararına karşı korumuştur.

Bazı Odunsu Bitkiler Çok Düşük Sıcaklıklara Alışabilirler

Bazı odunsu bitkiler uyku halindeyken düşük sıcaklık­lara çok dirençlidirler. Direnci kısmen, önceden soğuğa alışıp alışmama belirler; ancak kalıtsal özelliklerde dü­şük sıcaklıklara toleransın boyutunun belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Kuzey Amerika'nın kuzeyinde daha soğuk iklimlere özgü Prunus türlerinin (kiraz, erik ve benzeri meyveler) direnci, sıcak iklimlerden ge­len meyvelere göre soğuğa alıştırıldıktan sonra artmış­tır. Bu türlerin laboratuvar ortamında hücre içi buzlan­mayı savuşturma yeteneklerinin daha büyük olduğu gösterilmiştir (Burke ve Stushnoff 1979). Bu, belirgin bir kalıtsal farklılık olduğunu göstermektedir.

Doğal koşullar altında, odunsu bitkilerin soğuğa alıştıkları iki belirgin evre mevcuttur (Weiser 1970):

1.Birinci evrede direnç, kısa günler ve dondurucu olmayan düşük sıcaklıklar tarafından uyarılır. Her iki etmen büyümeyi durdurmak için birleşirler. Bu sırada bitkinin alışma yeteneğini arttıran ve difüzyonla geçebilen bir faktör (olasılıkla ABA)'ün yap­raklardan gövdelere flöem aracığılıyla taşındığı sanılmaktadır. Ayrıca, odunsu türler bu dönem­de trakelerden suyu çekerler. Trakelerden suyun çekilmesi, sonradan oluşacak donma sonucunda gövdelerin çapının genişleyerek parçalanması­nı önler. Alışmanın birinci evresindeki hücreler 0°C nin çok altındaki sıcaklıklarda yaşayabilmekle birlikte tamamen direnç kazanmazlar.

2.İkinci evrede uyarı, doğrudan donma etkisiyle oluşur; bilinmeyen bir taşınabilir faktör donmaya karşı direnç sağlayabilir. Bu direnç donmanın et­kisiyle gelişir. Hücreler tam direnç kazanınca -50 ila -100°C'lik sıcaklıklara direnç gösterebilirler.

Süper Üşüme ve Su Kaybının Azaltılması Dondurucu Sıcaklıklara Direnç Sağlar

Kanada'nm güneydoğusu ile Amerika Birleşik Dev­letlerinin doğusundaki pek çok orman ağacında donmaya karşı alışma, teorik donma noktasının altındaki sıcaklıklarda buz kristallerinin oluşumunun engellen­mesi sonucu gerçekleşir. Bu derin süper soğuma; meşe, ka­raağaç, akçaağaç, kayın, dişbudak, ceviz, karya, gül, orman gülü, elma, ayva, şeftali ve erik gibi türlerde görülür. Ayrıca derin süper soğuma, Kolorado, Rocky Mountains'te yaşayan Engelman ladini (Picea engehnannii) ve subalpin köknarı (Abies lasiocarpa) gibi ağaç türlerinde de oluşur.

İlkbaharda büyüme başlayınca donmaya karşı di­renç hızla zayıflar (Becvvar ve ark. 1981). Süper derin so­ğuma geçiren ve Mayıs'ta -35°C'nin altında canlı kalan subalpinik göknar'ın gövde dokuları Haziran'da buz oluşumunu engelleyememekte ve -10uC'de ölmektedir.

Hücreler yalnızca, -40°C'de süper soğuma göste­rirler. Bu sıcaklıkta buzlanma kendiliğinden oluşur. Kendiliğinden buz oluşumu bir düşük sıcaklık sınırının oluşmasına neden olur. Bu smırda, derin süper soğuma gösteren pek çok alpin ve subalpin tür yaşamını sürdü­rebilir. Ayrıca bu sınır, sıradağlarda orman yüksekliği­nin neden -40°C izotermi yakınında olduğunu açıklar.

Hücrenin protoplazması süper soğuma sırasında buz oluşumu için gerekli çekirdek oluşumunu baskı altına alır. Ayrıca, hücre çeperi, hem buzun hücreler arasmdan çepere doğru büyümesini hem de buhar basıncı gradiyentine bağlı olarak, sıvı haldeki suyun protoplazmadan hücreler arasındaki buzlu bölgeye çı­kışım önler (Wisniewski ve Arora 1993).

Pek çok çiçek tomurcuğu (örneğin üzüm, yaban mersini, şeftali, azelya ve çiçekli Cornus gibi) derin süper soğuma ile kışın yaşayabilir. İlkbaharda çiçek tomurcuklarının donmaya karşı toleransının azalması nedeniyle özellikle şeftalide ciddi ekonomik kayıplar oluşur. Bu durumda hücreler daha uzun süre süper soğuma gösteremez ve tomurcuk pullarındaki hücre­lerin dışında oluşan buz kristalleri apikal meristemler­den suyu çekerler. Bunun sonucunda çiçek tomurcuk­ları susuz kalarak ölürler.

Elma ve ayvanm çiçek tomurcukları, ılıman ku­şakta yaşayan tüm meyvelerin vejetatif tomurcuklan ve bu ağaçların kabuklarındaki canlı hücreler süper soğuma göstermezler; ancak bu yapılar hücre dışı buz oluşumuna bağlı su kaybına karşı koyarlar. Özellik­le Kanada'nm kuzeyi, Alaska, Avrupa'nın kuzeyi ve Asya'da bulunan türler olmak üzere, yıllık minimum sıcaklık ortalaması -40°C'nin altında olan odunsu tür­lerin hücreleri su kaybına karşı çok dirençlidirler.

Hücreler arası alanlarda buzlanma -3 ila -5°C'de başlar. Bu sırada kristaller büyümeye devam eder. Donmayan protoplazmadan suyun göreceli olarak dı­şarı çıkması buzlanmayı besler. Dondurucu sıcaklığa direnç, hücreler arası boşlukların büyüyen buz kristal­lerine yer bulabilme kapasitesi ve protoplazmanın su kaybına karşı koyma yeteneğine bağlıdır.

Protoplasttan göreceli olarak su kaybı ile birlikte hücreler arası alanlarda kristal oluşumunun sınırlandı­rılması, donmaya karşı dirençli bazı odunsu bitkilerin büyüme mevsiminde aynı zamanda neden su kıtlığına da dirençli olduğunu açıklayabilir. Örneğin, söğüt (Sa- lix), beyaz huş (Betula papyrifera), titreyen kavak (Pop ulus tremuloides), pin kirazı (Prunus pensylvanica), yabani kiraz (Prunus virginiana) ve lodgepole çamı (Pinus contorta) hücreler arası boşluklarda buz kristallerinin olu­şumunu sınırlandırarak çok düşük sıcaklıklara direnç gösterebilir. Bununla birlikte direncin kazanılması, ya­vaş soğuma ve hücreler arasında buzun oluşumunun göreceli oluşması ve de protoplasttan su kaybına bağlı­dır. Bitkinin tamamen alıştırılmadan aniden çok düşük sıcaklıklara maruz kalması, hücre içinde buz oluşumu­na ve hücrenin ölümüne neden olur.

Yaprak Yüzeyinde Yaşayan Bazı bakteriler Donun Etkisiyle Oluşan Zararı Arttırır

Yapraklar -3 ila -5"C'lik sıcaklıklarla maruz bırakılın­ca, Pseudomonas syringae ve Erıvinia herbicola gibi doğal olarak yaprak yüzeyinde yaşayan belli bakteriler yü­zeyde buz oluşumunu hızlandırır. Bu bakteriler buz oluşumu için çekirdek işlevi görür. Dona duyarlı yap­raklara bu bakteri kültürleri verildiğinde, bakterisiz yapraklara göre, daha yüksek sıcaklıklarda donmak­tadırlar. Yüzeydeki buz hızla yaprağın içindeki hücreler arası boşluklara yayılarak hücrelerde su kaybına neden olmaktadır.

Bakteri ırklarının kalıtımları değiştirilerek çekir­dek oluşturma özellikleri kaybettirilebilir. Bu tür ırk­lar, doğal bakteri ırkları ile rekabet etmek üzere, çilek gibi dona duyarlı bitkilerin yapraklarına ticari olarak uygulanmaktadır. Böylelikle, potansiyel buz oluşumu için gerekli çekirdek oluşumu en aza inmektedir.

ABA ve Protein Sentezi Donmaya Karşı Alışmada Yer Alır

Önceden düşük sıcaklık uygulaması ya da düşük sı­caklık uygulanmaksızın dıştan ABA uygulaması adi yonca (Medicago sativa L.)'nın -10°C'de donmaya karşı toleransını büyük ölçüde artmıştır. Bu uygulamalar iki boyutlu jelde çözümlenebilen yeni sentezlenmiş pro­teinlerin özelliğinde değişikliğe neden olmaktadır. Bu değişikliklerden bazıları belli bir uygulamaya (soğuk ya da ABA) özgüdür, ancak soğuk tarafından uyarı­lan yeni sentezlenmiş bazı proteinlerin ABA ya da orta şiddetteki su kıtlığı ile uyarılanlarla aynı olduğu görülmektedir.

Donmaya karşı toleransın oluşması için protem sentezi gereklidir. Toleransın oluşması için, gen ifadesindeki değişimler sonucunda belli bazı proteinler birikir. Bu proteinlerle ilgili genlerin izole edilmesiyle düşük sıcaklığın uyardığı proteinlerden bazılarının RAB/LEA/DHN (sırasıyla, ABA'e yanıt veren, embriyonun son döneminde bollaşan dehidrin) protein ailesi ile benzerlik gösterdiğini ortaya koymuştur. Daha önce ozmotik stres tarafından gen düzenlenmesi ile ilgili bölümde açıklandığı gibi bu proteinler ozmotik stres gibi farklı streslere maruz ka­lan dokularda birikmektedir. Bu proteinlerin işlevleri araştırılmaktadır.

ABA'in donmaya karşı toleransı uyardığı sanıl­maktadır. Kışlık buğday, çavdar, ıspanak ve Arabidop- sis thaliana gibi tümü soğuğa toleranslı olan bitkiler su kıtlığına karşı direnç kazandıklarında donmaya karşı toleransları da artmaktadır. Donmaya tolerans orta şiddetteki su kıtlığı altında alışmanın mümkün olmayan sıcaklıklarda ya da düşük sıcaklıklarda art­maktadır. Bu koşulların her ikisi de yapraklarda ABA konsantrasyonunu artırmaktadır.

Bitkilere ABA uygulandığında, alışılması müm­kün olmayan sıcaklıklarda donmaya karşı tolerans gelişmektedir. Düşük sıcaklıklarda ya da su kıtlığı al­tında ifade olan pek çok gen ve protein, aynı zamanda alışılması mümkün olamayan sıcaklıklarda, ABA tara­fından uyarılmaktadır. Bütün bunlar, donmaya karşı toleransta ABA'in rolünü desteklemektedir.

ABA'e duyarsız (abil) ya da ABA eksik (abal) olan Arabidopsis mutantları düşük sıcaklıklarda donmaya alışamamaktadır. Bununla birlikte yalnızca abal'e ABA uygulandığında donmaya karşı tolerans geliş­mektedir (Mantyla ve ark. 1995). Diğer taraftan, dü­şük sıcaklıkla uyarılan genlerin tümü ABA'e bağımlı değildir. ABA'm uyardığı genlerin ifade olmasının donmaya karşı toleransın oluşması için bir ölçüt olup olmadığı henüz kesinleşmemiştir. Örneğin, çavdar başakları üzerinde yapılan çalışmalarda, başakların %50'sinde ölüme neden olan sıcaklığın (LT50) 25°C'de yetiştirilen kontroller için -2 ila -5°C, ABA uygulanan başaklar için -8°C, 2°C'de alıştırılanlar için ise -28°C olduğu saptanmıştır.

Dolayısıyla dıştan ABA uygulaması, donmaya alışmada düşük sıcaklıklar kadar, etkili olmamaktadır. Bromus inermiş'in hücre kültürlerinin donmaya karşı toleranslan ABA uygulaması ile dramatik biçimde art­mıştır. 25°C'de yetiştirilen kontrol bitkiler -9°C'de ya­şayabilirken, 7 gün süreyle ABA uygulaması, donma toleransını -40"C'ye çıkarmıştır (Gutsa ve ark. 1996).

Tipik olarak, donmaya karşı toleransın tamamen uyarılabilmesi için en az birkaç günlük düşük sıcak­lık uygulaması gerekir. Patates bitkisi 15 günlük bir soğuk uygulamasına gereksinim duymaktadır. Diğer yandan bitkiler tekrar ısıtıldıklarında, donmaya karşı toleranslarmı hızla kaybederek 24 saat içinde yeniden duyarlı hale gelmektedirler.

Üşüme ve donmaya alışmanın uyarılması için düşük sıcaklık gereksinimi ve ısınma sonucunda alışmanın hız­la kaybedilmesi, kış aylarında, Amerika Birleşik Devlet­lerinin doğusunda, aşın sıcaklıklara (ve kışlan oldukça değişken olan benzer iklimli bölgelerde) karşı bitkilerin duyarlılığını açıklamaktadır. Bu bölgede hava sıcaklığı birkaç saatte 20 ila 25°C'den 0°C'ye düşmektedir.

Soğuğa Alışma Sırasında Çok Sayıda Gen İfade Olur

Belli genlerin ifade olması ve özel proteinlerin sentezlenmesi, hem ısı stresi hem de soğuk stresi için ortak olmakla birlikte, genlerin soğukta ifade olması bazı yönlerden ısı stresinin bu yöndeki etkisinden farklı­dır (Thomashow 2001). Soğuk dönemlerde 'houseke­eping' proteinlerin (stres yokluğunda yapılan prote­inler) sentezi ile ilgili genlerin ifadesi azalmazken, ısı stresi sırasında housekeeping protein sentezi önemli ölçüde durmaktadır.

Diğer taraftan, moleküler şaperonlar olarak iş gören bazı ısı şoku proteinleri ile ilgili genlerin ifade­si hem ısı stresi hem de düşük sıcaklık stresi altında artmaktadır. Bu durum, hem ısı hem de soğuk stresi sırasmda proteinlerin yapısının bozulduğunu ve hem sıcaklık hem de soğuk dönemlerde proteinlerin karar­lılığının sürmesini sağlayan mekanizmaların yaşamın devamı için önemli olduğunu göstermektedir.

Soğuk stresine bağlı olarak daha fazla ifade olan di­ğer önemli protein sınıfı antifriz proteinleridir. Antifriz proteinleri ilk kez kutuptaki buzullar altında yaşayan balıklarda keşfedilmiştir. Daha önce tartışıldığı gibi, bu proteinler kristallerin bir araya gelmesini engelleyerek buz oluşumu önler. Böylece orta şiddetteki dondurucu sıcaklıklarda donma zararmı engeller. Antifriz protein­leri akıcı çözeltiye termal histerezis özelliği (katidan sı­vıya geçişe göre sıvıdan katiya geçiş, daha düşük bir sıcaklıkta artar) sağlamaları nedeniyle bazen termal histerezis proteinleri (THP) olarak isimlendirilir.

Soğuğa alıştırılmış, kış mevsimine dirençli bazı monokotillerde düşük sıcaklıkla uyarılan birkaç tip antifriz proteini keşfedilmiştir. Bu proteinleri kod­layan spesifik genler klonlanmış dizi analizi yapıldıktan sonra, tüm antifriz proteinlerin endokitinaz ve endonükleaz gibi proteinler sınıfına ait oldukları bulunmuştur. Endokitinaz ve Endonükleazlar çeşitli patojenlerin enfeksiyonu ile uyarılır. Patojen ilişkili (PR) proteinler olarak isimlendirilen bu proteinlerin bitkileri patojenlere karşı koruduğu düşünülmektedir. Bu nedenle, antifriz ve patojen ilişkili olmak üzere, bu proteinlerin iki farklı rollerinin bulunması, en azından monokotillerde, hem düşük sıcaklık stresine hem de patojen saldırılarına karşı bitki hücrelerini koruyabile­ceğini göstermektedir.

Ozmotik stresle ilişkili olan diğer bir protein gru­bu da soğuk stresi sırasında artmaktadır. Bu grupta, zarın kararlılığının sürdürülmesi için gerekli olan ve ozmolitlerin sentezinde yer alan proteinler ve de LEA proteinleri yer alır. Hücreler arası alanlardaki buz kristalleri hücrenin kısmı için önemli bir ozmotik stres oluşturduğundan, donma stresi ile baş etmek için oz­motik stres ile de başa çıkılması gerekir.

Bir Transkripsiyon Faktörü Soğuk Tarafından Uyarılan Genin İfade Olmasını Düzenler

Soğuk stresi 100'den fazla genin ifade olmasına yol açar. Soğuk stresi ABA' e verilen yanıtlar ve ozmotik stres ile yakın ilişkili olduğundan, bu stres altında ifa­de olan genlerin tümü soğuğa karşı tolerans ile ilişkili değildir. Yine de, bu genlerin çoğu soğuk stresi ile iliş­kilidir. Soğuk stresinin uyardığı genlerin pek çoğu C- tekrarlı bağlanma faktörleri (CBF1, CBF2, CBF3; aynı zamanda sırasıyla DREBlb, DREBlc, and DREBla ola­rak isimlendirilirler) olarak isimlendirilen transkripsi­yon faktörleri tarafından aktifleştirilirler.

CBF/DREBl-tip transkripsiyon faktörleri, bu bö­lümde daha önce tartışılan, gen promotör dizisindeki CRT/DRE elementlerine (C-repeat/dehydration res­ponsive, ABA-bağımsız dizi elementleri) bağlanırlar. CBF/DREBİ, soğuk ve ozmotik stres tarafından dü­zenlenen çok sayıda genin transkripsiyonunda yer alır. Bu genlerin tümü promotörlerinde CRT/DRE elementleri içerirler. CBF1/DREBlb, ozmotik ya da tuzluluk stresi ile değil, özel olarak soğuk stresi tara­fından uyarılmasıyla özeldir. Buna karşılık, DREB2 tipinin (bu bölümde daha önce tartışılmıştır) DRE'ye bağlanan elementleri, soğuk ile değil, sadece ozmotik ve tuzluluk stresi ile uyarılır.

CBF1/DREBlb'nin ifade olması, 1CE (CBF'nin ifa­de olmasını uyarıcı) olarak isimlendirilen başka ayrı bir transkripsiyon faktörü tarafından denetlenir. ICE'nin transkripsiyon faktörleri soğuk tarafından uyarılmaz. ICE ya da onunla ilişkili bir proteinin transkripsiyon sonrası aktifleştirildiği; bunun da CBF1/DREBlb'nin aktifleşmesini sağladığı düşünülmektedir. Soğuğun al­gılanması, kalsiyumun yer aldığı sinyal yolu ve ICE'nin aktifleştirilmesi şu an araştırılmaktadır.

Yabani bitkilere göre, yapısal olarak CBFl'i ifa­de eden transgenik bitkilerde soğuğun etkisiyle daha fazla transkripsiyon oluşmaktadır. Bu durum, CBF1 transgenik bitkilerinin, soğuğa alışmasında iş gören ve soğukta artan çok sayıda proteinin, soğuk yokluğunda üretildiğini göstermektedir. Ayrıca, CBF1 transgenik bitkilerinin soğuğa toleransı kontrol bitkilerinkinden daha büyüktür.

TUZLULUK STRESİ

Karasal yüksek bitkiler, doğal koşullar altında, deniz suyunun ve tatlı suyun birbirine karıştığı ya da gel­gitlerle yer değiştirdiği deniz kıyıları ve deltalarda yüksek tuz konsantrasyonları ile karşılaşırlar. Daha iç kısımlarda ise jeolojik deniz birikimlerinden çıkan doğal tuz sızıntıları çevreye yayılarak o alanları tarım için uygunsuzlaştırır. Ancak, sulama suyundaki tuzla­rın birikimi tarımda daha yaygın bir sorundur.

Evaporasyon ve transpirasyon saf suyu topraktan uzaklaştırır (buhar olarak) ve bu kayıp toprakta çözün­müş madde konsantrasyonunu arttırır. Sulama suyun­daki çözünmüş madde konsantrasyonu yüksek ise ve biriken tuzlar bir drenaj sistemi ile yıkanmazsa, tuzluluk hızla tuza duyarlı türlere zarar veren düzeylere ulaşabilir. Dünya üzerindeki sulanan karaların yakla­şık üçte birinin tuzdan etkilendiği hesaplanmıştır.

Bu bölümde bitkinin işlevinin su ve topraktaki tuzluluktan nasıl etkilendiğini ve bitkilerde tuzluluk zararının savuşturulmasına yardımcı olan etmenleri inceleyeceğiz.

Toprakta Tuz Birikimi Bitkinin İşlevini ve Toprak Yapısını Bozar

Toprakta tuzların etkilerini tartışırken sodisite olarak ifade edilen yüksek Na+ konsantrasyonu ile tuzluluk olarak ifade edilen, toplam yüksek tuz konsantrasyo­nunu birbirinden ayıracağız. İki kavram ilişkili ise de, bazı alanlarda NaCl'ün yanı sıra, Ca2+, Mg2+ ve SO(2' tuzlanmaya önemli katkı yapar. Sodik bir topraktaki yüksek Na+ konsantrasyonu doğrudan bitkiyi etkile­mekle kalmayıp porluluğu ve geçirgenliği azaltarak toprak yapısını bozar. Kaliç olarak bilinen sodik bir kil, bazen, dinamitle delinecek sertlikte olabilir.

Tarlada, toprak ya da sulama suyunun tuzluluğu elektriksel iletkenlik veya ozmotik potansiyel olarak ölçülebilir. Saf suyun elektrik akımım iletme gücü çok zayıftır; Bir suyun iletkenliği içerdiği çözünmüş iyon­lara bağhdır. Suda tuz konsantrasyonunun artışı, elek­triksel iletkenliği arttırarak ozmotik potansiyeli düşü­rür (ozmotik basıncı arttırır).

Yarı kurak ve kurak alanlarda sulama suyunun ka­litesi düşüktür. Amerika Birleşik Devletlerinde Kolorado Nehri'nin doğduğu kısımlarda tuz miktarı 50 mgL1 iken, nehrin yaklaşık 200 km aşağısında, Kaliforniya'nın güneyinde, aynı nehirde tuz miktarı 900 mgL-1'e ulaş­maktadır. Bu değer, mısır gibi tuza duyarlı bazı kültür bitkilerinin büyümesini engellemektedir. Teksas'ta su­lama için kullanılan bazı kuyu suları 2000 ila 3000 mg L~' tuz içermektedir. Bu tür kuyulardan alman yıllık toplam 1 m sulama suyu hektar başına toprağa 20 ila 30 ton (dönüm başına 8-12 ton) tuz eklenmesine neden olmaktadır. Bu tuz seviyeleri en dayanıklı kültür bitki­leri dahil, tüm bitkiler için zararlıdır.

Tuzluluk, Duyarlı Türlerde Büyüme ve Fotosentezi Baskı Altına Alır

Yüksek tuz konsantrasyonlarına yanıt verme yönün­den bitkiler iki büyük gruba ayrılırlar. Bunlardan tuz­lu topraklara özgü Halofitler tüm yaşam döngülerini o ortamda tamamlarlar. Glikofitler (tatlı bitkiler) ya da halofitler dışındaki bitkiler tuzlara halofitler kadar dirençli değildirler. Genellikle glikofitlerde büyüme­nin engellendiği, yapraklarda renk kaybımn ve kuru ağırlıkta azalmanın oluşmaya başladığı tuz-eşik kon­santrasyonları vardır.

Kültür bitkileri arasında, mısır, soğan, limon, pi- kan, marul ve fasulye tuza çok duyarlıdır; pamuk ve mısır orta derecede toleranslı; şeker pancarı ve palmi­yeler çok toleranslıdırlar. Suaeda maritima (bir bataklık bitkisi) ve Atriplex nummularia (bir tuz çalısı) gibi tuza çok toleranslı olan bazı türlerin büyümesi, duyarlı türler için öldürücü olan düzeylerden kat be kat daha yüksek Cl+ konsantras­yonlarında uyarılır.

Tuz Zararı, Ozmotik Ve Özgün (Spesifik) İyon Etkisine Bağlı Oluşur

Köklenme bölgesindeki çözünmüş maddeler, düşük (daha negatif) bir ozmotik potansiyele sahiptirler. Bu düşük ozmotik potansiyeli toprağın su potansiyelini düşürür. Dolayısıyla bitkilerin genel su durumu etki­lenir. Çünkü, yaprakların, toprak ve yaprak arasında 'konsantrasyon gradiyenti yönünde' sürekli bir su potansiyeli oluşturmak için su potansiyellerim düşür­meleri gerekir (Bkz. 4. bölüm). Çözünmüş maddelerin bu etkisi toprakta su kıtlığının etkilerine benzer. Çoğu bitki, topraktaki aşırı tuzluluğa karşı su kıtlığına ver­diği yanıtların benzerini verir.

Tuzluluğun neden olduğu düşük su potansiyel­li ortamlar ve toprak kuruması arasındaki en büyük farklılık, toplam kullanılabilir su miktarıdır. Toprak­tan su kaybı sırasında bitki, topraktan çok az su alabi­lir. Böylece su potansiyeli daha da düşer. Tuzlu ortam­ların çoğunda büyük bir miktarda (aslında sınırsız) su bulunmakla birlikte, bu ortamlarda su potansiyeli düşüktür.

Bitkilerin çoğu tuzlu topraklarda yetiştirildiklerin­de ozmotik düzenleme yapabilir. Böyle bir düzenleme sonucu su potansiyeli düşerken turgor kaybı önlenir (hücre büyümesini yavaşlatan, Bkz. Şekil 25.1); ancak bilinmeyen bir nedenden ötürü, bu düzenlemeden sonra bitkilerin büyümesi yavaşlar. Bunun turgorun yetersiz oluşuyla ilişkisi yoktur.

Düşük su potansiyelinin yanında, özellikle Na+, Cl+ ya da S042- olmak üzere, hücrede özellikle Na+, Cl_ ya da S042 gibi iyonlar zararlı konsantrasyonlarda birikince spesifik iyon toksisitesi sorunu ortaya çıkar. Tuzlu olmayan koşullarda, yüksek bitkilerin sitosolü 100 ila 200 mM K+ ve 1 ila 10 mM Na+ içerir. Böyle bir iyonik ortamda pek çok enzim optimumda çalışır. Na+/un K+'a oranının anormal ölçüde yüksek olması enzimleri etkisizleştirir ve protein sentezini engeller. Na+ konsantrasyonu yüksek olduğunda, bu iyon pa­muk kök tüyü hücrelerinin plazma zarında Ca2t'un yerini alabilir. Bunun sonucunda plazma zarının ge­çirgenliği değişir ve K+ hücrelerden dışarı sızar.

Kloroplastlarda yüksek konsantrasyonlarda Na+ ve/veya Cl- birikince fotosentez engellenir. Fotosen­tezdeki elektron transferi tuzlara nispeten duyarsızdır. Buna karşın karbon metabolizması ya da fototosforilasyon etkilenebilir. NaCl'e toleranslı türlerden elde edilen enzimlerin duyarlılıkları tuza duyarlı glikofitlerin enzimlerinki ile aynıdır. Dolayısıyla, halofitlerin tuzlara direnci tuza tolerans metabolizmasının bir sonucu değildir. Bundan sonraki kısımda tartışılacağı gibi, daha çok, tuz zararını savuşturmak için diğer me­kanizmalar devreye girmektedir.

Bitkiler Tuz Zararını Savuşturmak İçin Farklı Stratejiler Kullanırlar

Bitkiler özellikle sürgünlerden, meristemlerden ve ak­tif olarak büyüyen ve de fotosentez yapan yapraklar­dan tuzu dışarı atarak tuzun zararını en aza indirirler. Tuza duyarlı bitkilerde topraktaki orta düzeylerdeki tuzluluğa direnç kısmen, zararlı iyonların kökten sür­günlere gönderilmesinin önlenmesiyle gerçekleşir.

Kaspari şeridi iyonların ksileme geçişine engel oluşturur. İyonların Kaspari şeridini by pass etmeleri için hücre zarları aracılığıyla apoplasttan simplastik yola geçmeleri ge­rekir. Bu geçiş, tuza dirençli bitkilerin zararlı iyonları kısmen dışarı atma mekanizmalarından biridir.

Sodyum iyonları köklere pasif olarak girer (bir elektrokimyasal potansiyel gradiyenti boyunca; Bu nedenle, kök hücrelerinin, Na+'u geri­ye, dıştaki çözeltiye aktif olarak atmaları için enerji kullanmaları gerekir. Bunun aksine, Cl-, zarın iki ya­nındaki negatif elektrik potansiyeli ve kök hücreleri­nin plazma zarının bu iyona geçirgenliklerinin düşük olmasıyla dışta tutulur. Ayrıca, köklerden sürgünlere ve yapraklara taşınım sırasında transpirasyon akıntı­sından (ksilem özsuyu) Na+,un absorbe edilmesi de bu iyonun yapraklara taşınımı azaltır.

Tuz sediri (Tamarix sp) ve Tuz çalısı (Atriplex sp) gibi tuza dirençli bazı bitküer iyonları köklerden dışa­rı atmazlar; bu bitkilerin yapraklanılın yüzeylerinde tuz bezleri bulunur. Bu bezlere taşınan iyonlar orada kristalleştirilerek zararsız hale getirilirler. Genelde ha­lofitler, sürgün hücrelerinde glikofitlerden daha fazla iyon biriktirebilirler.

Bu bölümde daha önce belirtildiği gibi, denge sağlayan çözünmüş maddeler, glisin betain, prolin, sorbitol, mannitol, pinitol ve sakkarozu kapsar. Özel bitki familyalan bu bileşiklerden bir veya ikisini diğer­lerine tercih ederek kullanırlar. Bu organik çözünmüş maddelerin sentezi için kullanılan karbon miktarı ol­dukça fazla olabilir (yaklaşık bitki ağırlığının %10'u). Doğal bitki örtüsünde su potansiyelini ayarlamak için gerçekleştirilen bu karbon dönüşümü bitkinin yaşa­mını etkilemez, ancak tarımsal bitkilerde büyümeyi, dolayısıyla toplam biyolojik kütleyi ve ürün miktarını düşürebilir.

Pek çok halofit orta derecedeki tuzluluk düzeyle­rinde optimum büyüme gösterir. Bu optimum, iyonları vakuolde biriktirme kapasitesi ile ilişkilidir, iyonlar vakuolde tuza duyarlı enzimlere zarar vermeksizin, hücrenin ozmotik potansiyeline katkı yapabilir. Daha küçük ölçekte de olsa, tuza duyarlı glikofitler de iyon­ları vakuolde biriktirebilir, ancak işlem daha yavaş gerçekleşir.

Tuzluluğa ahşan bitkiler su potansiyelinin ayarla­masının yanı sıra, başka mekanizmalar da geliştirmiş­lerdir. Ozmotik stresle ilişkili olan bu mekanizmalar daha önce su kıtlığı için belirtilenlerle aynıdır. Örne­ğin, tuz stresine maruz kalmış olan bitkiler ozmotik streste olduğu gibi yaprak alanını azaltır ya da absisyonla yapraklarını dökerler. Ayrıca, ozmotik strese bağlı olarak gen ifadesinde oluşan değişiklikler tuzlu­luk stresi ile de ilişkilidir. Bununla birlikte, tuzluluk stresine maruz kalmış bitkilerin, su potansiyeli düşük olan bir ortama alışmalarının yanısıra yüksek iyon konsantrasyonlarının yarattığı strese de karşı koyma­ları gerektiği akılda tutulmalıdır.

İyonların Dışarı Atılması, Tuzluluk Stresine Alışma ve Adaptasyon İçin Kritik Bir Etmendir

Bitki açısından tuzlu bir ortamda dokunun su potan­siyelini dengelemek için iyon kullanımının metabolik enerji maliyeti karbonhidratların ve amino asitlerin kullanımından daha düşüktür; çünkü karbonhidrat ve amino asit üretiminin enerji maliyeti çok daha yük­sektir. Diğer yönden, yüksek iyon konsantrasyonları sitosoldeki pek çok enzim için toksiktir. Bu nedenle sitosolde iyonların toksik konsantrasyonlarını en aza indirmek için vakuolde biriktirilmeleri gerekir.

NaCl, tuzluluk stresi altındaki bitkilerin en bol karşılaştıkları tuz olduğundan, Na+'un vakuolde bi­rikimini kolaylaştıran taşınım sistemleri büyük önem taşır. Hem Ca2+ hem de K+ hücre içi Na+ konsantrasyonlarını etkiler. Yüksek Na+ konsantrasyonlarında, K+ alınımı, HKTl ile engellenir. HKTl, Na+'a ilgisi fazla olan bir K"-Na+ taşıyıcısıdır. Bu taşıyıcı bir Na+ alma sistemi olarak iş görür. Diğer yandan kalsiyum, K+/Na+seçiciliğini ve dolayısıyla tuza toleransı arttırır.

OKSİJEN KITLIĞI

Kökler, aerobik solunum için yeterli oksijen (02)'i ço­ğunlukla topraktaki gaz içeren boşluklardan doğrudan elde ederler. Drenajı ve yapısı iyi olan topraklarda içi gaz dolu porlar gaz haldeki oksijenin kolayca birkaç metre derinliğe girmesine izin verirler. Dolayısıyla, toprağın derinliklerindeki 02 konsantrasyonu nemli havanınkine benzer. Bununla birlikte, toprağın dre­najı yetersiz ve yağmur ya da sulama aşırı olduğunda toprağın içi suyla dolar. Bu su, porları doldurarak gaz haldeki 02'nin difüzyonunu dürdürürler. Çözünmüş oksijenin durgun suda difüzyonu çok yavaştır. Yüzey yakınında toprağın yalnızca birkaç santimetrelik bölü­mü oksijen alır.

Sıcaklık düşük ve bitkiler uyku halindeyken oldu­ğunda, oksijen çok yavaş azalır ve pek fazla zarar oluş­maz. Bununla birlikte, sıcaklıklar yüksek olduğunda (20°C'den büyük), toprak suyundala oksijen bitki kök­leri toprak faunası ve mikroorganizmaları tarafından 24 saat gibi kısa bir süre içerisinde tüketilir.

Topraktaki aşırı suya duyarlı bitkiler oksijensiz koşullarda 24 saat içinde şiddetli zarar görürler. Bu koşullar altında pek çok bitki türünün büyüme ve ya­şaması büyük ölçüde baskı altına alınır. Kültür bitki­lerinin verimliliğinde büyük bir düşüş oluşur. Örne­ğin, bahçe bezelyesi (Pisum sativum)'nin verimliliği 24 saat içinde yarıya düşer. Dolayısıyla, bezelye aşırı su koşullarına karşı duyarlı bir bitkidir. Toprağın suyla dolmasından orta derecede etkilenen diğer bitkiler, özellikle de sürekli olarak nemli koşularda büyümeye uyum sağlamamış bitkiler ile kültür bitkileri, toprak­taki aşırı suya toleranslı bitkiler olarak isimlendirilir­ler. Toprağın suyla dolmasına toleranslı bitkiler ok­sijensiz koşullara (anoksi) geçici olarak dayanabilirler; ancak bu yalnızca birkaç gün sürebilir.

Diğer yandan, bataklıklar ve turbalar gibi sulak alanlarda büyüyen, özelleşmiş doğal bitki örtüsü ve pirinç gibi kültür bitkileri kök ortamındaki oksijen eksikliğine çok iyi uyum sağlamışlardır. Sulak alan bitkileri oksijensiz koşullara dayanabilirler. Bu bitki­ler, oksijensiz koşullarda kök sistemleri ile aylarca bü­yüyebilir ve yaşamlarını sürdürebilirler. Bu bitkilerin çoğu özel adaptasyonlar geliştirmişlerdir. Burada tar­tışılacak olan bu adaptasyonlar, çevredeki kullanılabi­lir oksijenin oksijensiz dokulara girişini sağlar. Pratik­te, hızlı bir metabolizma söz konusu olduğunda tüm bitkiler oksijene gereksinim duyarlar. Bitkiler, önemli bir zarar görmeksizin, kök ortamlarındaki oksijensiz koşullara karşı koyabildikleri süreye göre sınıflandı­rılmaktadırlar.

Bundan sonraki bölümlerde anerobiosizin kökler­de ve sürgünlerde neden olduğu zararı, sucul alanlar­da yaşayan bitkilerinin düşük oksijenli koşullarla nasıl başa çıkabildiklerini ve aşırı su koşullarına toleranslı ve duyarlı türleri birbirinden ayıran değişik alışma mekanizmalarını inceleyeceğiz.

Anaerobik Mikroorganizmalar Suya Doymuş Topraklarda Aktiftirler

Toprakta moleküler oksijen tamamen tükendiğinde, toprak mikroorganizmalarının işlevi bitki yaşamı ve büyüme için önemli hale gelir. Anaerobik toprak mik­roorganizmaları (aneroblar) nitratı (NO,-) nitrite (N02~) ya da azot oksit (N20) ve moleküler azota (N2) indir­geyerek enerji elde ederler. Bu gazlar (N20 ve N2) de- nitrifikasyon adı verilen bir işlemle atmosfere geçerler. Koşullar daha indirgen olduğunda Fe3’, anaerobiosis ile Fe2,'e indirgenir. Fe2 'in çözünebilirliği yüksek olduğun­dan, topraklar birkaç hafta oksijensiz kalınca, bu iyonun konsantrasyonu hızla toksik düzeylere ulaşabilir. Diğer anaerobik organizmalar ise sülfat (S04_)'ı bir solunum zehiri olan hidrojen sülfit (H2S)'e indirgeyebilir.

Anaeorobların bol miktarda organik substrat bul­maları halinde asetik asit ve bütirik asit gibi bakteri metabolitleri toprak suyuna geçer. Aşırı miktarda su içeren toprakların kötü kokmasından, bu asitler ve in­dirgenmiş kükürt bileşikleri sorumludur. Mikroorga­nizmalar tarafından anaerobik koşullarda üretilen bu maddelerin tümü yüksek konsantrasyonlarda bitkiler için toksiktirler.

Oksijensiz Ortamlarda Kökler Zarar Görür

Kökün solunum hızı ve metabolizması, kök ortamın­daki 02 tamamen tükenmeden önce etkilenir. Kritik oksijen basıncı (COP) solunum hızının oksijen kıtlığı­na bağlı olarak ilk azaldığı oksijen basıncıdır. 25°C'dc iyi havalandırılmış bir besin çözeltisinde büyüyen bir mısır kökünün COP'ı yaklaşık 0.20 atmosferdir (hacim olarak 20 kPa ya da %20). Bu yaklaşık normal havanınkine eşittir. Bu oksijen basıncında, çözün­müş oksijenin çözeltiden dokuya ve hücreden hücreye difüzyon hızı 02 kullanım hızına güçlükle ayak uydu­rur. Bununla birlikte, solunum hızları ve ATP dönü­şümü açısından, bir kök ucu metabolik olarak memeli dokularınınki ile karşılaştırılabilecek kadar aktiftir.

Hücrelerin olgun ve tamamen vakuolleşmiş oldu­ğu ve de solunum hızının düştüğü kökün yaşlı böl­gelerinde COP 0.1 ila 0.05 atmosfer arasındadır. O, konsantrasyonları COP'un altında olduğunda, kökün merkezi anoksik (tümüyle oksijensiz) ya da hipoksik (kısmen oksijensiz) hale gelir.

Solunum düşük sıcaklıklarda yavaşladığında COP düşer; bu durum organın boyutuna ve hücrelerin nasıl paketlenmiş olduklarına da bağlıdır. İri ve kütlesi bü­yük meyveler aerobik durumlarım tamamen korurlar; çünkü bu tip meyvelerdeki geniş hücreler arası boşluk­lar gazların difüzyonunu kolaylaştırır. Bir hücre için, 0.01 atmosferlik düşük bir basınç (gaz halde %1'lik oksijen) yeterli olabilir; çünkü difüzyonun kısa mesa­feli oluşu mitokondrilere yeterli miktarda 02 gitmesini sağlar. Mitokondrilerde oksidatif fosforilasyonun sür­mesi için çok düşük bir kısmi basınç yeterlidir.

Sitokrom oksidazın Km değeri (Michaelis-Menten sabiti, Bkz. Web sitesinde 2. Bölüm) 0.1 ila 1.0 pM çö­zünmüş oksijendir. Bu değer, hava (20°C'de 277 pM) ile dengedeki çözünmüş oksijenin çok küçük bir bölü­münü oluşturur. Bir organ ya da doku ve mitokondrinin 02 gereksinimi arasındaki büyük farklüık, akışkan ortamda çözünmüş oksijenin difüzyonunun yavaş olmasıyla açıklanmaktadır. 02 yokluğunda mitokondrilerdeki elektron taşımmı ve oksidatif fosforilasyon durur; trikarboksilik asit döngüsü işleyemez ve ATP sadece fermentasyonla üretilebilir. Bu nedenle ortam­da yeterli 02 bulunmadığında, kökler ilk olarak laktat dehidrogenaz yardımıyla (LDH) pirüvatı laktata fermente etmeye başlar. Mısırın kök uçlarında laktat fermentasyonu geçicidir. Çünkü hücreler arsında pH'nın düşmesi, hızla laktat fermentasyonundan etanol fermentasyonuna geçilmesini sağlar. Bu değişiklik, bu işlemde yer alan sitosoldeki enzimlerin pH optimum­larının farklı oluşu nedeniyle gerçekleşir.

Asidik pH'da LDH engellenirken, pirüvat dehid­rogenaz aktifleşir. Fermentasyonda net ATP verimlili­ği solunumda kullanılan bir mol heksoz şekeri başına 2 mol ATP'tır (aerobik solunumda kullanılan bir mol heksozda ise 36 ATP'tır). Bu nedenle, O2 eksikliğinin kök metabolizmasında oluşturduğu zarar, kısmen, önemli metabolik işlemleri gerçekleştirmek için gerek­li ATP eksikliğinden kaynaklanır.

Canlı mısır kök uçlarının hücreler arasındaki pH'ın ölçümünde nükleer manyetik rezonans (NMR) spek- troskopisi kullanılmıştır. Sağlıklı hücrelerde, vakuolün içeriği (pH 5.8) sitoplazmanınkinden daha asidik (pH 7.4)'tir; ancak aşırı 02 eksik­liği koşullarında, protonlar göreceli olarak vakuolden sitoplazmaya sızarak orada laktik asit fermentasyonuu başlayan asitleşmeye katkıda bulunur. Bu pH değişik­likleri (sitosolik asidosis) hücre ölümü ile ilişkilidir.

H'nin, tonoplasttaki ATPazlar tarafından vakuole aktif taşınımı ATP eksikliği nedeniyle yavaşlar. ATP aktivitesi olmaksızın sitosol ve vakuol arasmda nor­mal pH gradiyenti sağlanamaz. Sitosolün asitleşmesi, anoksik hayvan hücrelerinde olduğu gibi, yüksek bitkilerin sitoplazmalarında metabolizmanın geriye dönüşümsüz olarak bozulmasına neden olur. Esasen, zarara neden olan, sitosolün asitleşmesidir. Asitleş- menin süresi ve derecesi, topraktaki aşırı suya duyarlı olan türleri dirençli türlerden ayıran başlıca etmenler arasındadır.

02 Kıtlığından Zarar Görmüş Kökler Sürgünlere Zarar Verir

Anoksik ve hipoksik köklerde sürgünlerde gerçekleş­mesi gereken fizyolojik işlemlerin desteklenmesine yetecek miktarda enerji bulunmaz. Buğday ve arpa köklerinin besleyici iyonları absorblayamaması ve ksileme (ve oradan sürgüne) taşıyamaması, büyüyen ve gelişen dokularda iyon kıtlığına neden olur. Flöemde taşmabilen elementlerin (N, P, K) genç yapraklara aktarılması sonucu yaşlı yapraklarda senesens erken başlar. Stomaların kapanmasıyla su kaybı önlenince, geçici de olsa, bu azalma köklerde suya geçirgenliğin azalmasına, yaprak su potansiyelinin düşmesine ve solmaya neden olur.

Ayrıca hipoksi koşullar köklerde etilen öncülü olan ACC (1-aminosiklopropan-l-karboksilik asit)'in üre­timini hızlandırır. Domateste, ACC ksilem özsuyunda sürgünlere taşınır. Orada oksijen ile temas edince ACC oksidaz tarafından etilene dönüş­türülür. Domates ve ayçiçeğinin yaprak petiollerinin üst yüzeyinde (adaksiyal) etilene yanıt veren hücreler bulunur. Etilen konsantrasyonları yüksek olduğunda bu hücreler daha hızlı genişlerler. Bu genişleme epinastiye neden olur. Yani yapraklar dökülecekmiş gibi aşağı doğru büyürler. Solmanın aksine, epinastide tur­gor kaybı görülmez.

Bazı türlerde (örn. bezelye ve domates), toprağın suyla dolması stomaların kapanmasına neden olur. Bu sırada yaprak su potansiyelinde belirgin bir değişim oluşmaz. Su kıtlığı ya da yüksek tuz konsantrasyonları gibi köklerde oksijen kıtlığı da absisik asit (ABA) üreti­mini ve yapraklara ABA taşınımını uyarabilir. Bununla birlikte, böyle koşullarda stoma kapanması daha çok, yaşlı ve alt yaprakların fazladan ürettikleri ABA'e bağ­lanmaktadır. Bu yapraklar solar ve içerdikleri ABA'i daha genç turgorlu yapraklara göndererek stomalarm kapanmasına neden olurlar.

Su İçindeki Organlar 02'i Özelleşmiş Yapılarla Kazanırlar

Topraktaki aşırı suya duyarlı ve toleranslı türlerin aksine, sucul alanlarda yaşayan bitki örtüsü suyla doymuş topraklarda uzun süre yaşayabilmeye uyum sağlamıştır. Kısmen suya batık olsalar bile, bitkilerin sürgünleri etkin bir şekilde büyümekte ve stres belir­tisi göstermektedir.

Su zambağı (Nymphoides peltata) gibi bazı sucul alan bitkilerinin suyun içindeki kısımları içsel etileni tutar. Etilen petiolde hücre uzamasını uyarır. Bunun sonucunda petiol süratle suyun yüzeyine çıkarak yap­rağın havaya ulaşmasmı sağlar. Derin su (yüzen) pi­rincinin internodyumları etilene benzer yanıtı verir. Bu bitki, suyun derinliğinin artmasına karşın yaprak­larım suyun yüzeyine ulaştırabilmektedir. Bir sucul monokotil olan su otu (Potamogeton pectinatıısY unda ise gövde uzaması etilene duyarsızdır. Bunun yerine, bu bitkide uzama, solunumda oluşan CO, birikiminin neden olduğu ortam suyunun asitleşmesi sonucunda anaerobik koşullar altında bile artar.

Sucul bitkilerin çoğunda ve nemli koşullara iyi uyum sağlamış olan pek çok bitkinin, gövde ve köklerinde, birbiriyle bağlantılı, içi gaz dolu kanallar ge­lişir. Bu kanallar oksijen ve diğer gazların taşınımını kolaylaştırırlar. Gazlar (hava) stomalardan ya da lentisellerden odunsu gövdelere ve köklere girdikten sonra moleküler difüzyon ya da küçük basınç gradiyentlerine bağlı olarak konveksiyonla taşınırlar.

Pirincin de aralarında bulunduğu pek çok sucul bitkide, hücreler belirgin, içi gaz dolu boşluklarla birbirinden ayrılmıştır. Bu boşluklar aerankima olarak isim­lendirilen bir doku oluştururlar. Aerankima çevresel uyartılardan bağımsız olarak gelişir. Bununla birlikte, oksijen eksikliği, monokotiller ve dikotiller dahil, sucul olmayan bazı bitkilerde gövdenin tabanında ve yeni gelişen köklerde aerankima oluşumunu uyarır.

Mısır kök ucunda hipoksi koşullar ACC sentaz ve ACC oksidaz aktivitesini uyararak ACC ve etile­nin daha hızlı üretilmesini sağlar. Etilen kökte korteks hücrelerinin ölümüne ve parçalanmasına yol açar. Bu hücrelerin daha önce kapladığı alanlar 02 taşımınım kolaylaştıran içi gaz dolu boşluklara dönüşür.

Etilen sinyaline bağlı olarak hücrelerin ölümü oldukça özgündür; kökte ölmesi gerekmeyen hüc­reler etkilenmez. Sitosolde Ca2t konsantrasyonunun artmasının hücrenin ölümüne yol açan etilen sinyal iletim yolunun bir parçası olduğu düşünülmektedir. Sitosolde Ca2+ konsantrasyonlarını artıran kimyasallar uyarıcı olamayan koşullar altında hücre ölümünü art­tırmaktadır; bunu aksine, sitososoldeki Ca2+ konsan­trasyonunu düşüren kimyasallar normalde aerankima oluşması gereken hipoksik köklerde hücre ölümünü durdurmaktadır. Hipoksi koşullara yanıt olarak eti­lene bağlı hücre ölümü, programlanmış hücre ölümüne bir örnek oluşturur.

Bazı bitkiler (ya da bitki kısımları) aerankima oluşturmadan önce uzun süre (haftalar ya da aylar) aneorobik koşullara dayanabilirler. Pirinç ve Echinochloa crusgalli var. oryzicola (pirinç çimeni)'nın embri­yo ve koleoptilleri, Schoenoplectus lacustris (dev sazı), Scirpus maritimus (tuzlu sazı) ve Typha angustifolia (dar yapraklı su kamışı)'nın rizomları (yer altındaki yatay gövdeler) bunlar arasındadır. Bu rizomlar anaerobik atmosferde birkaç ay yaşayabilir ve yapraklarını bü­yütebilir.

Doğada rizomlar kışı göllerin kenarındaki anae­robik çamurda geçirirler. İlkbaharda yapraklar çamu­run ya da su yüzeyinin üstüne çıkınca O, difüzyonla aerankimadan rizoma geçer. Daha soma metabolizma anaerobik (fermentleyici) bir yoldan aerobik bir yola geçer ve kökler oksijeni kullanarak büyümeye başlar­lar. Benzer şekilde, pirinç ve çeltik çimeninin çimlen­mesi sırasında koleoptil su yüzeyine çıkarak bitkinin diğer kısımlarına 02'nin geçmesi için bir difüzyon yolu ('şinorkel') oluşturur. (Pirinç bir sucul alan bitkisi olsa bile, mısır kökleri gibi onun kökleri de anoksi ko­şullara toleranssızdır).

Kök oksijence fakir toprak içinde ilerledikçe kök ucunun hemen arkasındaki aerankima apikal bölgeye oksijenin ulaşmasını sağlar. Pirinç ve tipik diğer ba­taklık bitkilerinin köklerinde süberinleşmiş ve lignin- leşmiş hücrelerin oluşturduğu engeller köklerden top­rağa O/nin difüzyonunu engeller. Dolayısıyla apikal meristemlere O, iletimi sürer ve kökün anaerobik top­rak içinde 50 cm ya da daha fazla büyümesi sağlanır.

Bunun aksine, sucul alanlarda yaşamayan mısır gibi türlerin kökleri 02'ni aynı büyüklükte koruyama­yarak dışarı sızdırırlar. Bu nedenle, bu bitkilerin kök uçlarında içsel 02 aerobik solunum için yetersizdir. Bu O, eksikliği, böyle köklerin anaerobik toprakta ilerle­yebildikleri derinliği çok fazla sınırlandırır.

Bitki Dokularının Çoğu Anaerobik Koşullara Tolerans Gösteremez

Yüksek bitkilerde dokuların çoğu anaerobik koşullar­da uzun süre yaşayamaz. Örneğin, aniden Oz'siz ko­şullara bırakılan mısır kökleri yalnızca 20 ila 24 saat canlı kalabilmiştir. Anoksi koşullarda fermantasyonla yavaşça bir miktar ATP üretilir; ancak hücrelerdeki enerji sitosolün asitleşmesi sırasında göreceli olarak azalır. Bazı hücrelerin uzun süren anoksi koşullara tolerans göstermesini sağlayan biyokimyasal meka­nizmalar tümüyle bilinmemektedir. Önceden hipoksi koşullara maruz bırakılan mısır ve diğer tahılların kök uçları, belli bir oranda alışma gösterecek 4 gün süreyle anoksi koşullarda yaşayabilmektedir.

Anaerobik koşullara alışma, pek çok anaerobik stres proteinini (bir sonraki konuyu inceleyiniz) kodlayan genlerin ifade olmasına bağlıdır. Alışma sonra­sında anoksi koşullarda etanol fermantasyonu yapabilme yeteneği (böylece metabolizmanın belli bir süre devam etmesi için ATP üretilerek) artar. Bu artış sıra­sında laktat, sitosolün dışına taşınır. Böylelikle sitosoldeki asitleşme en aza iner.

Sucul bitki organlarının kronik oksijen kıtlığı koşullarını tolere etme yeteneği tamamen yukarıda tanımlanan stratejilere benzerlik gösterebilir; ancak onlar bu stratejileri daha etkili kullanırlar. Sitosolün pH'sının kontrolü, glikolizis ve fermantasyonla sürek­li olarak ATP üretimi ve uzun süreli anaerobik solu­num için yeterli yakıtın depo edilmesi kritiktir. Anok­si koşullar altında alanin, süksinat ve 7-aminobütirik asitin sentezinin, protonlarm tüketilmesini sağlayarak sitosolün asitleşmesini en aza indirdiği düşünülmek­tedir. Buna ilişkin kanıtlar pirinç ve pirinç çimeninden edilmiş, ancak buğday ve arpanın anoksi koşullara duyarlı sürgünlerinde bulunamamıştır.

Anaerobik ve aerobik metabolizmayı değişmeli olarak gerçekleştiren türlerin organları anoksi koşullar ortadan kalktıktan sonra O2 girişinin sonuçlan ile baş etmek zorundadırlar. Aerobik metabolizma sırasında oldukça fazla reaktif oksijen türü üretilir. Normalde, bu aktif oksijen türlerinin toksik etkisi, süperoksit dismutaz (SOD)'inde dahil olduğu hücre savunma meka­nizmaları tarafından ortadan kaldırılır. Bu enzim sü­peroksit radikallerini hidrojen peroksite dönüştürür. Daha sonra hidrojen peroksit peroksidazlar tarafından suya dönüştürülür.

İris pseudacorpus (sarı sancak)'un anoksik koşulla­ra toleranslı rizomlarında SOD aktivitesi 28 gün süren anoksi koşullar altında 13 kat artmıştır. Bu artış, anok­sik koşullara tolerans göstermeyen diğer iris türleri­nin rizomlarında gözlenmemiştir. Toleranslı türlerde SOD, yaprakların suyun ya da çamurun içinden çıkıp havayla temas etmesiyle başlayan 02 girişi ile baş et­mede kullanılabilir. Dolayısıyla, SOD anoksi koşul­lardan sonra oluşan strese (postanoksik) karşı direnç geliştirilmesine yardımcı olur.

02 Kıtlığına Alışmak için Anaerobik Stres Proteinleri Sentezlenir

Mısır kökleri oksijensiz bırakılınca, yaklaşık 20 adet polipeptidin sürekli üretimi dışında protein sentezi durur. Bu anaerobik stres protein­lerinin çoğunun, glikolizisin ve fermentasyon yolları­nın enzimleri olduğu bulunmuştur.

Hipoksik ya da anoksik koşullarda oksijen dü­zeylerindeki düşüşleri algılayan mekanizma tümüyle aydmlatılamamıştır. Bununla birlikte, 02 düzeylerinin düşmesinden sonra ilk oluşan olaylardan biri hücre içi Ca2+ miktarının artmasıdır. Kanıtlar, bu kalsiyum sin­yalinin anoksi koşulların sinyal iletiminde yer aldığı­nı göstermektedir. Anoksi koşullar oluştuktan sonra, dakikalar içinde, sitosoldeki Ca2+ konsantrasyondaki artış mısırın hücre kültürlerinde alkol dehidrogenaz (ADH) ve sakkaroz sentazın mRNA düzeylerinde ar­tışa neden olan bir sinyal olarak iş görür.

Hücre içi Ca2+ konsantrasyonunu durduran kim­yasallar aynı zamanda, anoksi koşullar tarafından uyarılan ADH ve sakkaroz sentaz genlerinin ifade ol­masını önlemekte ve mısır fidelerinin anoksik koşul­lara duyarlılığını büyük ölçüde arttırmaktadır. Bu mekanizmaların ve hücre içi Ca+'un anoksik koşulların erken evrelerinde hem hücrelerin yaşaması hem de uzun süren hipoksi koşul sırasında hücre ölümü ve aerankima oluşumunda nasıl sinyal işlevi gördüğünün aydınlatılabilmesi için ek araştır­malara gereksinim vardır.

Anaerobik stres genlerine ait mRNA'larının biriki­mi, bu genlerin transkripsiyon hızındaki değişiklikler sonucunda oluşur. Mısır ve Ambidopsis'in ADH gen­lerinin ve diğer anaerobik genlerin promotörlerindeki ortak dizi elementlerinin analiz edilmesiyle, bir anaero­bik stres elementinin yanı sıra cis-acting transkripsiyon faktörlerini bağlayan bir G-Box elementi tanımlanmış­tır. Cis-acting transkripsiyon faktörleri bu genleri aktifleştirmektedir. Bununla birlikte, oksijen eksikliğinin nasıl algılandığı ve sinyalin, özel genlerin transkripsi­yonunda değişikliğe yol açan sitosoldeki Ca2* artışıyla nasıl sağlandığı araştırılmayı beklemektedir.

Ayrıca, anaerobik stres genlerinin bir biçimde translasyon ile de kontrol edildiğine ilişkin kanıtlar vardır. Hipoksi stresi sonrası, anaerobik olmayan stres tarafından düzenlenen genlerin mRNA'larının trans­lasyon etkinliği, ADH gibi stres tarafından düzenle­nen genlerinkinden daha azdır.

ÖZET

Stres, genel olarak, bir bitki üzerinde olumsuz etki oluşturan dışsal bir etmen olarak tanımlanabilir. Hem doğal hem de tarımsal koşullarda bitkiler bir ölçüde stres oluşturan uygunsuz ortamlara maruz kalmakta­dır. Su kıtlığı, ısı stresi ve ısı şoku, düşük sıcaklık ve donma, tuzluluk ve oksijen kıtlığı bitki büyümesini sınırlandıran başlıca stres faktörleridir. Bu stresler ne­deniyle, büyüme mevsimi sonunda, bitkinin biyolojik kütlesi ve verimliliği kalıtsal potansiyelinin ancak bir kısmı kadar artar.

Uygunsuz ortam koşullan ile bitkilerin başa çıkma kapasitesi strese direnç olarak bilinir. CAM metaboliz­ması gibi, strese direnç sağlayan bitki adaptasyonları kalıtsal olarak belirlenir. Bir strese önceden maruz bı­rakılan bitkilerde strese alışma yeteneği artar.

Kurağa dayanıklılık mekanizması, iklim ve toprak koşullarına bağlı olarak değişiklik gösterir. Sorghum ve soya fasulyesinde görüldüğü gibi sınırsız büyüme özelliği bu türlerin son yağışlardan yararlanmaları­nı sağlar; mısır gibi sınırlı büyüme özelliği gösteren bitkiler ise su stresine karşı bu tür bir direnç göster­mez. Yaprak genişlemesinin engellenmesi su stresine verilen en ilk yanıtlardan biridir. Yaprak genişlemesi su kıtlığı nedeniyle turgordaki azalmaya bağlı olarak hücre ve yaprak genişlemesi için gerekli kuvveti azalt­tığında ya da ortadan kaldırdığında engellenir. Yap­rak absisyonu, kökün toprağın derinliklerindeki nem­li kısımlara ulaşması ve stoma kapanması su stresine karşı geliştirilen diğer mekanizmalardır.

Kuraklık stresi strese alışma ve adaptasyonda yer alan genlerin ifade olmasına neden olur. Bu genler, burada açıklanan hücre ve bitki düzeyindeki yanıtlara aracılık eder. Genin ifade olması için gerekli değişik­likleri sağlayan sinyal oluşturucu kademelerin algı­lanması ve aktifleştirilmesi, hem ABA bağımlı hem de ABA bağımsız yollarla olur.

Yüksek sıcaklıklar ısı stresine ve ısı şokuna ne­den olur. Bazı CAM bitkileri 60 ila 65°C'lik sıcaklık­lara tolerans göstermekle birlikte, yaprakların çoğu 45°C'nin üstündeki sıcaklıklarda zarar görür. Aktif olarak transpirasyon yapan yaprakların sıcaklığı ge­nellikle hava sıcaklığından daha düşüktür; ancak su kıtlığı transpirasyonu engelleyerek aşırı ısınmaya ve ısı stresine neden olur. Isı stresi fotosentezin yanı sıra, zarın işlevini ve kararlılığını engeller.

Yaprakların kıvrılarak absorblanan ışığın azaltıl­ması, sınır tabakaların direncini en aza indiren yaprak büyüklüğünün azalması ve konduksiyona bağlı ısının kaybedilmesi, ısıya direnç sağlayan adaptasyonlardır. Yüksek sıcaklıklarda sentezlenen ısı şoku proteinleri proteinlerin kararlığını arttıran ve hücre proteinleri­nin uygun biçimde katlanmasını sağlayan moleküler şaperonlar olarak iş görür. pH ve metabolik denge sağlayan biyokimyasal yanıtlar sıcaklıktaki ani artışa alışma ve adaptasyonla ilgilidir.

Üşütücü sıcaklık ve donma stresi düşük sıcaklıkta ortaya çıkar. Üşütücü stres zararı normal büyüme için çok düşük olan, ancak donma sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda görülür. Bu zarar, ılıman kuşak iklimlerinde yaşayan tropik ve subtropik kökenli türler için tipiktir. Üşütücü sıcaklık zararları büyümede yavaşla­ma, yaprak lezyonlan ve solmayı kapsar. Zarın akış­kanlığının değişmesine bağlı zar özelliklerinin kaybı, üşüme stresi zararlarının başlıca nedenidir. Üşütücü sıcaklıklara dirençli bitkilerin zar lipitlerindeki doy­mamış yağ asidi oram, üşütücü sıcaklıklara duyarlı bitkilerinkinden fazladır.

Donma zararı esas olarak, hücrelerde ve organlar­da oluşan buz kristallerinin oluşmasıyla ortaya çıkar. Donmaya dirençli türler buz kristallerinin hücre dışı alanlara doğru büyümesini sınırlayan mekanizmala­ra sahiptir. Dehidrasyon (su kaybı) ve süper soğuma odunsu bitkilerin donmaya karşı direncini sağlayan mekanizmalardır.

Düşük sıcaklık stresi suyun aktivitesini azaltarak hücrede ozmotik strese neden olur. Ozmotik stres sı­rasında, ozmotik stresle ilişkili sinyal yolları aktifleşir ve soğuğa alışmada yer alan proteinler birikir. Bu sıra­da soğukla ilişkili ancak ozmotik stresle ilişkisiz gen­ler de aktifleşir. Soğuk stresinin aktifleştirdiği sinyal yolundaki elemanları aşırı ifade edebilen transgenik bitkilerde soğuk toleransı artar.

Tuzluluk stresi, topraktaki tuzların birikmesi so­nucunda oluşur. Bazı halofitik türler tuza çok toleranslıdır, ancak tuzluluk duyarlı türlerin büyümesini ve fotosentezi baskı altına alır. Tuz zararı, toprak su potansiyelinin azalması ve iyonların zararlı konsan­trasyonlarda birikmesine bağlı spesifik iyon toksisitesi sonucunda oluşur. Buna bağlı olarak topraklar elve­rişsiz hale gelir. Bitkiler tuzları yapraklardan dışarı atarak ya da iyonları vakuolde biriktirerek tuz zara­rım savuşturur. Na+'un dışarı atılmasını ve vakuolde biriktirilmesi ile ilgili bazı moleküler belirleyiciler ve iyon homeostosizinde yer alan ve SOS olarak isimlen­dirilen bir sinyal yolu saptanmıştır.

Suyla dolmuş topraklarda oksijen eksikliği tipik­tir. Oksijen eksikliği pek çok türün büyüme ve yaşayabilirliğini azaltır. Diğer yandan, bataklık ve turbalık bitkileri ile pirinç gibi kültür bitkileri kök ortamındaki oksijen kıtlığına iyi uyum sağlamıştır. Yüksek bitki­lerin dokularının çoğu anaerobik koşullarda yaşaya­maz, ancak pirinç embriyoları ve koleoptilleri anoksi koşullarda haftalarca yaşayabilir. Anoksi zararına di­renç yolları ve bunların nasıl düzenlendiği henüz ay­dınla tılamamıştır.kıtlığı transpirasyonu engelleyerek aşırı ısınmaya ve ısı stresine neden olur. Isı stresi fotosentezin yanı sıra, zarın işlevini ve kararlılığını engeller.