Bodur paşa kılıcı (sansevieria trifasciata hahnii) bitkisinde kadmiyum stresine bağlı fizyolojik ve genotoksik etkilerin araştırılması

Abstract

Gelişen sanayi, artan insan nüfusu ve kentleşme hızındaki artış, toprağın çeşitli kirleticilere maruz kalmasına, bunun sonucunda doğal yaşam alanlarındaki bitkilerin içeriklerinde değişimler meydana gelmesine sebep olmuştur. Bitkilerde meydana gelen bu değişimler sadece morfolojik ve biyokimyasal olarak değil, genotoksik olarak tanımlanan genom düzeyindeki farklılaşmaları da beraberinde getirmiştir. Genotoksik etkilerin oluşmasında ağır metal kirliliğinin önemli bir yere sahip olduğu bilinmektedir. Ağır metaller toprak, hava ve su kaynaklarında kirliliğe sebep olmaktadır. Son dönemde yapılan çalışmalar Türkiye’de, özellikle kadmiyum kirliliğinin yoğun olarak gözlendiği bir ağır metal kirliliğine, işaret etmektedir. Bu çalışmada Türkiye’de yaygın olarak ev süs bitkisi olarak kullanılan Sansevieria trifasciata Hahnii bitkisi seçilmiş ve bu bitkide kadmiyumun (Cd) genotoksik etkileri araştırılmıştır. Kadmiyum stresi 50-100-200 μM kadmiyum klorür (CdCl2) içeren Hoagland çözeltisi ile standart su kültürleri sisteminde S. trifasciata Hahnii bitkilerine 1 ay boyunca 20’şer ml uygulanmıştır. Kontrol grubu bitkilerinde CdCl2 içermeyen Hoagland çözeltisi kullanılmıştır. Kadmiyumun bitki yapraklarındaki birikim değerleri ICP-OES (İndüktif Eşleşmiş Plazma-Optik Emisyon Spektrometresi) cihazı ile ölçülmüştür. Kadmiyumun etkisi bodur paşa kılıcı bitkisinin köklerinde genç ve yaşlı yapraklar ve indirgenmiş gövdeye göre daha etkili olmuş, kökler kadmiyumun en fazla depolandığı bitki dokuları olmuştur. Ayrıca kök dokusunda 50 µM’dan 200 µM’a kadar artan kadmiyum stresi, kadmiyum birikiminin yanı sıra diğer bitki besin elementlerinden özellikle demir ve kalsiyum miktarlarında belirgin düşüşlere sebep olduğu saptanmıştır. Genç yapraklar yaşlı yapraklardan daha az miktarlarda kadmiyum biriktirmelerine rağmen, 50,100 ve 200 µM konsantrasyonlarda kontrole göre diğer bütün elementlerin konsantrasyonlarında yaklaşık olarak %25 oranında düşüşler gerçekleşmiştir. Kadmiyumun yapraklardaki genotoksik etkilerinin belirlenmesi amacıyla yapraklarda 20 farklı ISSR primeri kullanılarak gerçekleştirilen Polimeraz zincir reaksiyonları (PZR) sonucu elde edilen DNA bantları “GelAnalyzer” programında analiz edilmiştir. Test edilmiş olan 20 ISSR primerinden 5 tanesi (UBC 808, UBC 826, UBC 827, UBC 841 ve UBC 868) bodur paşa kılıcı bitkisinde büyüklükleri 179 bç ile 1116 bç arasında değişen bantlar oluşturmuştur. Bu primerlerden her bir grup için en az 6, en fazla 10 adet bant elde edilmiştir. UBC primerlerin tamamında monomorfik yapıda bant profili gösterirken, monomorfik bant desenlerinin yoğunlukları artan CdCl2 uygulaması ile artmıştır. Moleküler analizlerde polimorfizm desenlerinin yanı sıra, agaroz jeller incelendiğinde artan CdCl2 uygulamasının bantların yoğunluklarında da artışa sebep olduğu saptanmıştır. Gerek yapılan fizyolojik analizler, gerekse de yaprak DNA’sında ISSR markörleri ile PZR taramaları bodur paşa kılıcı bitkisinin tüm uygulama konsantrasyonlarında canlılığını sürdürdüğünü ve kadmiyumu depolayarak veya metabolize ederek genomunda gerçekleşen değişimler ile moleküler yanıtlar verebildiğini göstermiştir. Bulgularımız çerçevesinde ISSR markörlerine ait PZR ürünlerinin örnekler arasındaki değişimin genotoksisite tayininde kullanılabilir bir parametre olduğu gözlenmiştir. Kadmiyum birikimine ait doku spesifik artış ve azalışlar ve diğer besin elementleri için de karşılaştırmalı sonuçların analiz edilmesi strese cevabın biyokimyasal açıdan ortaya konması için önem taşımaktadır. Bu çalışmanın sonuçlarının ileriki dönemlerde S. trifasciata Hahnii bitkisi ile yapılacak stres ve seleksiyon çalışmalarına referans veri kaynağı olması amaçlanmıştır.

Developing industry, increasing human population and the increase in the rate of urbanization have caused the soil to be exposed to various pollutants, resulting in changes in the content of plants in natural habitats. These changes occurred in plants have brought about not only morphological and biochemical changes but also differences at the genome level, defined as genotoxic. It is known that heavy metal pollution has an important place in the formation of genotoxic effects. Heavy metals cause pollution in soil, air and water resources. Recent studies indicate heavy metal pollution in Turkey, especially cadmium pollution is observed intensively. In this study, Sansevieria trifasciata Hahnii, which is widely used as a home ornamental plant in Turkey, was selected and the genotoxic effects of cadmium (Cd) on this plant were investigated. Cadmium stress was treated with Hoagland solution containing 50-100-200 μM cadmium chloride (CdCl2), 20 ml each, to S. trifasciata Hahnii plants using standard hydroponic systems for one month. Hoagland solution without CdCl2 was used in the control group plants. Accumulation values of cadmium in plant leaves were measured with ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry) device. The effect of cadmium was more effective on the roots of the dwarf snake plant than on the young and old leaves and the reduced stem, and the roots were the plant tissues where cadmium was mostly stored. In addition, it has been determined that cadmium stress increasing from 50 µM to 200 µM in root tissue causes significant decreases in the amounts of other plant nutrients, especially iron and calcium, as well as cadmium accumulation. Although young leaves accumulated less cadmium than older leaves, decline in the concentrations of all other elements occurred approximately by 25% compared to the control at concentrations of 50, 100 and 200 µM. In order to determine the genotoxic effects of cadmium on leaves, DNA bands obtained as a result of Polymerase chain reactions (PCR) performed using 20 different ISSR (Inter Simple Sequence Repeat) primers on leaves were analyzed in the “GelAnalyzer” program. Six of the 20 tested ISSR primers (UBC 808, UBC 826, UBC 827, UBC 841 and UBC 868) created bands ranging in size from 179 bp to 1116 bp in dwarf snake plant. A minimum of 6 and a maximum of 10 bands were obtained from these primers for each group. While all UBC primers exhibited a monomorphic band profile, the intensities of the monomorphic band patterns increased with increasing CdCl₂ application. In addition to the polymorphism patterns in molecular analyses, it was determined that increasing CdCl2 application caused an increase in the intensity of the bands when agarose gels were examined. Both biochemical analyses performed on the whole plant and PCR screenings with ISSR markers on leaf DNA showed that the dwarf snake plant maintained its viability at all application concentrations and could give molecular responses through changes in its genome by storing or metabolizing cadmium. Within the framework of our findings, it was observed that the change in PCR products of ISSR markers between samples is a feasible parameter in the determination of genotoxicity. Analyzing tissue-specific increment and decline in cadmium accumulation and comparative results for other nutrients is important for revealing the biochemical response to stress. The results of this study are aimed to be a reference data source for stress and selection studies to be conducted with S. trifasciata Hahnii in the future.