Genel Bitki Fizyolojisi [PDF]

Citation preview

İÇİNDEKİLER Bölüm İs BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ 1 BİTKİLERİN MİNERAL MADDE İÇERİĞİ 1 ESENSIYAL BESİN ELEMENTLERİ 2 ESENSIYAL OLMAYAN ELEMENTLER 3 BİTKİLERİN ORGANİK MADDE İÇERİĞİ 5 KARBOHİDRATLAR 5 Monosakkaritler 5 Disakkaritler 6 Polisakkaritler 7 LİPİDLER 10 Yağlar 10 Fosfolipidler 10 Mumlar 10 PROTEİNLER 11 HÜCRENİN PH’SI VE ORGANİK ASİTLER 12



Bölüm 2: SU VE HÜCRE 14 SUYUN ÖZELLİKLERİ 15 Su Yüksek Bir Buharlaşma Isısına Sahiptir 16 Su Aynı Zamanda Yüksek Bir Erime Isısına da Sahiptir 16 Suyun Özgül (Spesifik) Isısı Yüksektir Su Yüksek Bir Adhezyon ve Kohezyon Kuvvetine Sahiptir 17 Su Çok İyi Bir Çözücüdür 18 Su Bazı Dalga Boyundaki Işınlan Absorbe Edebilme Yeteneğindedir 19 SUYUN TAŞINIMINI İLE İLGİLİ TEMEL OLAYLAR 20 DİFÜZYON 20 Moleküllerin Farklı Difuzyon Şekilleri Vardır 20 Difuzyon Bitki İçin Önemli Bir Olaydır 21 Difuzyon Hızını Etkileyen Değişik Faktörler Vardır 22 KİTLE AKIMI 22 OSMOZ 23 Osmoz Olayında Su Potansiyeli veya Suyun Kimyasal Potansiyeli Önemli Rol Oynar 24 Su Potansiyeline Çözünmüş Maddelerin Etkisi 25 Su Potansiyeline Basıncın Etkisi 25 Yerçekimi Suyun Aşağıya Doğru Akmasına Neden Olur 26 SU POTANSİYELİNİN BİLEŞENLERİ 26 Su Potansiyeli İfadesi Kullanılarak Osmoz Olayının İzahı 27 Hücreye Göre Çözeltiler Gruplandmlabilir 27 Turgor, Plazmoliz ve Solgunluk Su Taşınımı Sonucu Oluşur 28 Suyun Hücre ile Çözelti Arasındaki Hareketi Osmozla Gerçekleşir 30 Suyun Hücreler Arasındaki Hareketi Osmozla Gerçekleşir 30 Su potansiyeli Bitkinin Su Durumunu Değerlendirmek İçin kullanılabilir 31 OKUMA PARÇASI (SU POTANSİYELİ VE BİLEŞENLERİNİ ÖLÇME METODLARI) 32 SU POTANSİYELİNİ ÖLÇME METODLARI 32



V



TRANSPİRASYONUN GÜNLÜK DEĞİŞİMİ 61 TRANSPİRASYONUN ÖNEMİ 61 TRANSPİRASYONUN ÖLÇÜLMESİ 62 TRANSPİRASYON HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER 63 BİTKİLERDE SIVI HALDE SU KAYBI OLAYLARI 64 GUTASYON (DAMLAMA) 64 EKSÜDASYON (YAŞARMA) 65



Bölüm 5: BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, MİNERAL ALINIMI VE TAŞINIMI 66 TOPRAĞIN YAPISI 66 Toprak, Bitkiler İçin Bir Besin Deposudur 67 Toprak Kolloidleri Katyonlar İçin Değişik İlgilere Sahiptirler 69 Negatif Yüzeylerle Katyonların İlişkisi Elektrostatik İlişkilere Bağlıdır 69 Toprak Çözeltisindeki İyonlar Bitkilerin Esas Besinini Oluşturur 70 Toprak Kolloidleri Anyonlan Tutamazlar 71 Toprak Çeşitlerinin İyon Değişim Kapasitesi Birbirinden Farklıdır 71 Asitlik, Toprak Partiküllerindeki Katyonların Yerdeğiştirme Yeteneğinden Ziyade Besin Kullanımını Etkiler 72 PH’ya Bağlı Olarak Mineral Madde Alınımmın Engellenmesi Bazı Uygulamalarla Aşılabilir 72 BESİN İYONLARININ ALINIMI 73 Pasif İyon Alınımı 73 Aktif İyon alınımı 73 Basit Difüzyon 73 OKUMA PARÇASI (PERMEABİLİTE) 74 Kolaylaştırılmış Diflizyon 76 OKUMA PARÇASI (MADDELERİN ZARDAN GEÇİŞİ) 77 Aktif İyon Transportu 78 BİTKİ İÇERİSİNDE İYON HAREKETİ 80 FOLİAR İYON ALINIMI 81 BİTKİ BESLENMESİNDE MİKROORGANİZMALARIN ROLÜ 81 BAKTERİLER 82 FUNGUSLAR (MIKORIZA) 82 m in e r a l m a d d e l e r in b it k id e k i g ö r e v l e r i e l e m e n t l e r in b it k id e k i



85



GENEL GÖREVLERİ 85



Osmotik Fonksiyon 85 Yapısal Fonksiyon 86 Biyokimyasal Fonksiyon 86 ELEMENTLERİN BİTKİDEKİ ÖZEL GÖREVLERİ 86 TOPRAK GÜBRELERİ 91



Bölüm 6: BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU 93 BİTKİLERDE AZOT KULLANIMI 93 AZOT ASİMİLASYONU 94 SERBEST VE SİMBİYOTİK BAKTERİLERLE BİYOLOJİK AZOT FİKSASYONU



95



VI



Rhizobiumlann Köklere Bağlanması 96 Enfeksiyon İpliklerinin Oluşumu 97 AZOT FİKSASYONUN BİYOKİMYASAL TEMELİ (NİTROGENAZ ENZİM KOMPLEKSİ) 99 SİMBİYOTİK AZOT FİKSASYONUNUN MOLEKÜLER KONTROLÜ 100 Azot Fiksasyonu İçin Anaerobik Bir Ortama İhtiyaç Duyulur 101 OKUMA PARÇASI (TABİİ AZOT FİKSASYONUNU ARTIRMA ÇALIŞMALARI)



103 TOPRAK AZOTUNUN KAYBI 104 ŞİMŞEK 104 İNSEKTIVOR BİTKİLER 105 AZOTLU BİLEŞİKLERİN BİTKİ BÜNYESİNE ALINMASI 106 Nitrat Asimilasyonu 106 Nitratın Asimilasyonuyla Amino Asitler Oluşur 108 Bağlanan Azot, Transaminasyon Reaksiyonuyla Diğer Aminoasitlere Aktarılır 109 BİTKİSEL PROTEİNLER 110 AZOTUN TAŞINIMI VE DEPOLANMASI 111 KÜKÜRT ASİMİLASYONU 111 FOSFAT ASİMİLASYONU 113 KATYON ASİMİLASYONU 113 OKSİJEN ASİMİLASYONU 114 BESİN DEVİRLERİNDE BİTKİLERİN ROLÜ 115 FOSFOR DEVRİ 775 AZOT DEVRİ 116



Bölüm 7: BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI 118 BİTKİDE TRANSLOKASYON (TAŞINIM) YOLLARI 118 Organik Maddelerin Floemle Taşındığını Destekleyen Fazlaca Delil Vardır 119 FLOEM ÖZSUYUNUN İÇERİĞİ 121 Fotosentezde Sentezlenen Karbohidratlann Sakkaroz Formunda Taşınmalarının Nedenleri Vardır 122 FLOEM DOKUSUNUN YAPISI 122 TRANSLOKASYON HIZI (VELOSİTİ) 125 FLOEMDEKİ TRANSLOKASYONUN MEKANİZMASI 126 BASINÇ AKIŞ TEORİSİ 127 Basınç Akış Teorisine Karşı Bazı Karşıt Görüşler İleri Sürülmüştür 129 OKUMA PARÇASI (ORGANİK MADDE TAŞINIMI İLE İLGİLİ ESKİ TEORİLER)



130 Protoplazmik Akış Teorisi 130 Elektroosmoz Hipotezi 131 Aktif Taşıyıcılar Sistemi 132 FLOEMİN YÜKLENMESİ VE BOŞALMASI 132 FOTOSENTEZ ÜRÜNLERİNİN DAĞITIMI (ALLOKASYON)754 KSENOBİYOTİKLERİN TRANSLOKASYONU 135 TRANSLOKASYONUN İÇSEL DÜZENLENMESİ 135 ORGANİK MADDE TAŞINIMINI ETKİLEYEN BAZI FAKTÖRLER 137 Borun Karbohidrat Taşınımmda Önemli Olduğu Bulunmuştur 137 Bitkisel Hormonlar 138 Çevresel Kirleticiler 138



VII



Bölüm 8: FOTOBİYOLOJİ: IŞIK VE PİGMENTLER 139 IŞIK BİTKİLER İÇİN ÖNEMLİ BİR ÇEVRESEL FAKTÖRDÜR 140 IŞIĞIN YAPISI 141 FOTORESEPTÖRLER 143 KLOROFİLLER 143 Klorofilin Sentezlenmesi 144 KAROTENOIDLER 146 FIKOBILINLER 147 KRIPTOKROMLAR (MAVİ IŞIK RESEPTÖRLERİ) 147 UV-B RESEPTÖRLERİ 148 FLAVONOİDLER 148 BETASİY ANİNLER 149 FOTOSENTETİK PİGMENTLER TARAFINDAN IŞIK ABSORBSİYONU 149 OKUMA PARÇASI (FOTOSENTEZİN ETKİNLİĞİ) 151



Bölüm 9: FOTOSENTETİK REAKSİYONLARI 152



AYGIT



VE



ELEKTRON



TAŞINIM



OKUMA PARÇASI (FOTOSENTEZ ARAŞTIRMALARININ TARİHİ GELİŞİMİ)



153 OKUMA PARÇASI (YAPRAKLARDA FOTOSENTEZ VE IŞIK) 156 FOTOSENTEZ OLAYININ YERİ 158 OKUMA PARÇASI (KLOROPLASTLARIN FOTOSENTETİK OLMAYAN METABOLİZMASI) 159 FOTOSİSTEMLERİN YAPISI VE FOTOSENTETİK AKSEPTÖRLER 160 OKUMA PARÇASI (FOTOSENTEZ OLAYINDA PİGMENTLERİN İKİ SİSTEM HALİNDE TOPLANDIĞINI GÖSTEREN DELİLLER) 161 FOTOSENTEZ OLAYININ MEKANİZMASI 163 FOTOSENTEZİN ELEKTRON TAŞINIM SAFHASI 163 Fotosentetik Elektron Taşınımı 163 Fotosentetik Elektron Taşınımı Sonucu ATP Oluşumu 164 Devresel Fotofosforilasyonunun Amacı Nedir? 165



Bölüm 10: FOTOSENTEZ: KARBON METABOLİZMASI 167 C3 YOLU (CALVİN DEVRİ) 167 C3 YOLUNUN BİLANÇOSU 169 C3 YOLUNUN AKTİVASYONUNDA IŞIĞIN ROLÜ 169 FOTOSOLUNUM (FOTORESPİRASYON) 171 BİTKİLERDE NİÇİN FOTORESPİRASYON VARDIR? 173 OKUMA PARÇASI (FOTORESPİRASYONUN ETKİNLİĞİ) 175 Fotorespirasyonun İnhibisyonunun Verimi Artıracağına İnanılmaktadır 176 C4 (HATCH-SLACK) YOLU 177 C4 Bitkileri C3 Bitkilerinden Önemli Farklılıklar Gösterir 177 C4 YOLUNUN MEKANİZMASI 178 C4 YOLUNUN BİLANÇOSU 179 C4 YOLUNUN AMACI 179 CRASSULASEAN ASİT METABOLİZMASI (CAM) 180 CAM MEKANİZMASI 180 FOTOSENTEZİN ALTERNATİF ÜRÜNLERİ 181 f o t o s e n t e t ik



hücrelerde



sentezlenen



HÜCRELER ARASINDAKİ TAŞINIMI 182 FOTOSENTEZ HIZININ ÖLÇÜLMESİ



k a r b o h id r a t l a r in



183



viii Karbondioksit Tüketiminin Ölçülmesi 184 Oksijen Üretiminin Ölçülmesi 184 Volumetrik Ölçümler 185 NET FOTOSENTEZ 185



Bölüm 11: FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ 186 IŞIK YOĞUNLUĞU 186 OKUMA PARÇASI (FOTOSENTEZ, ÇOK HÜCRELİ HAYATIN OLUŞUMUNU SAĞLAYACAK ŞEKİLDE, İLK YERKÜREYİ DEĞİŞTİRMİŞTİR) 188 KARBONDİOKSİT KONSANTRASYONU 189 OKUMA PARÇASI (YAPRAKLARDA FOTOSENTEZ VE C 0 2) 191 SICAKLIK 191 OKSİJEN KONSANTRASYONU 192 SUYUN KULLANILABİLİRLİĞİ 193 BİTKİNİN BESLENME DURUMU 193 ÇEVRESEL KİRLETİCİLERİN ETKİSİ 193 Kükürt dioksit 193 Florürler 194 Dumanlı sis (smog) 194 Pestisitler 195 OKUMA PARÇASI (FOTOSENTETİK ÜRETİMİ ARTTIRMA ÇALIŞMALARI) 196 Ürün Üretiminde Enerji Etkinliğini Arttırmak 196 Toplam Mahsul Üretiminin Arttırılması 197 Yakıt Kaynaklarının Zirai Olarak Arttın İması 198



Bölüm 12: BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ VE KEMOSENTEZ 200 MOR BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ 200 YEŞİL BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ 201 BAKTERİLERDE KARBON METABOLİZMASI 202 KEMOSENTEZ 203 Nitrit ve Nitrat Bakterilerinde Kemosentez 203 Kükürt Bakterilerinde Kemosentez 204 Demir Bakterilerinde Kemosentez 204 Hidrojen Bakterilerinde Kemosentez 204 Kemosentezde CO2 Assimilasyonu 205 Bölüm 13: SOLUNUM VE FERMENTASYON 206 KARBOHİDRATLARIN OKSİDASYONU 207 GLİKOLİZ 207 TRİKARBOKSİLİK ASİT DEVRİ (TCA DEVRİ) 209 ELEKTRON TAŞINIM SİSTEMİ VE OKSİDATİF FOSFORİLASYON 211 ELEKTRON TAŞINIMININ AYRINTILI MEKANİZMASI 213 ELEKTRON TAŞINIMI SONUCU ENERJİ SENTEZİ 215 SİYANİTE DAYANIKLI SOLUNUM 216 SİYANİT DAYANIKLI SOLUNUMUN ÖNEMİ 217 KARBOHİDRATLARIN OKSİDASYONU SONUCU ENERJİ BİLANÇOSU 218 SOLUNUMUN HÜCRESEL KONTROLÜ 219 ATP OLUŞTURMAYAN SOLUNUMA BENZER OLAYLAR 220



IX



OKSİDATİF PENTOZ FOSFAT YOLU 220 SOLUNUM KATSAYISI 222 SOLUNUMU ETKİLEYEN FAKTÖRLER 223 LİPİD METABOLİZMASI 225 Sıvı ve Katı Yağlar Triglişeritlerdir ve Sfereozomlarda Depolanırlar 226 Triaçilgliserol Sentezi 227 Çimlenen Tohumlarda Lipidler Karbohidratlara Dönüşür 227 FERMENTASYON 230 ETİL ALKOL FERMENTASYONU 232 LAKTİK ASİT FERMENTASYONU 232



/ Bölüm 14: BİTKİ GELİŞİMİ



233



KÖK VE GÖVDEDE MORFOGENESİS 234 Hücrenin Büyüme Yönünün Kontrol Edilmesi 234 Hücrenin Bölünme Düzleminin Kontrolü 235 FARKLILAŞMA 236 OKUMA PARÇASI (Doku Kültürlerinde Kök ve Gövde Farklılaşması) 237 BAZI HÜCRE TİPLERİNDE FARKLILAŞMA 239 BÜYÜME 241 BÜYÜME OLAYININ SAFHALARI 242 PRİMER VE SEKONDER BÜYÜME 243 KÖKLERDE BÜYÜME 243 GÖVDEDE BÜYÜME (PRİMER FİDE BÜYÜMESİ) 245 BİTKİLERDEKİ BÜYÜME ŞEKİLLERİ 246 BİTKİ BÜYÜME VE GELİŞMESİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER 246 Genetik Faktörler 246 Fizyolojik Faktörler 247 Çevresel Faktörler 247 BİTKİ BÜYÜME VE GELİŞMESİ SIRASINDA MEYDANA GELEN BAZI FİZYOLOJİK OLAYLAR 247 ABSİSYON 247 YAPRAK ABSISYONU 247 ÇİÇEK VE MEYVE ABSISYONU 249 SENESENS 249 ORGANLARDA SENESENS 251 bitkinin tümünde senesens 252 APİKAL DOMİNANSİ 252 DORMANSİ 254 TOHUM DORMANSİSİ 254 YUMRU DORMANSİSİ 255 ORGAN VE HÜCRELERDE POLARİTE 255



/B ö lü m 15: BİTKİSEL HORMONLAR: OKSİNLER, GİBERELLİNLER VE SİTOKİNİNLER 258 OKUMA PARÇASI (HORMONLARIN ETKİLERİNİN GÖZLENMESİ) 259 BİTKİ HORMONLARININ GENEL ETKİ ŞEKLİ 261 OKSİNLER 262 Hücrede Oksinler Bağlı ve Serbest Olmak üzere İki Formda Bulunurlar 265 OKSİNLERÎN BELİRLENMESİ 266 OKSİNLERİN TAŞINIMI 266 Polar Oksin Taşımmınm Mekanizması 268



X



OKSİNLERİN BİYOSENTEZİ 268 DEĞİŞİK DOKULARIN OKSİNE VERDİKLERİ CEVAPLAR 270 OKSİNLERİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 271 SENTETİK OKSİNLERİN TİCARİ KULLANIMI 276 OKSİNLERİN ETKİ MEKANİZMASI 276 GİBERELLİNLER 281 GİBERELLİNLERİN KEŞFİ 282 GİBERELLİNLERİN HAREKETİ 284 GİBERELLİNLERİN BİYOSENTEZİ 284 GİBERELLİNLERİN TAYİNİ VE BİOASSAYLER 286 BİOASSAYLER 286 GİBERELLİNLERİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 287 GİBERELLİNLERİN BİYOKİMYASAL ETKİ ŞEKLİ 293 GİBERELLİNLERİN TİCARİ UYGULAMALARI 296 SİTOKİNİNLER 297 SİTOKİNİNLERİN KEŞFİ 297 Diğer Sentetik Sitokininler 300 OKUMA PARÇASI (BİTKİ GELİŞİMİ VE HÜCRE BÖLÜNMESİ) 301 HÜCRE BÖLÜNMESİNİN KONTROLÜ 301 BİTKİ DOKU VE ORGANLARIN KÜLTÜRE ALINMASININ HORMONLARLA İLİŞKİSİ 302 SİTOKİNİNLERİ BELİRLEME METODLARI 303 BAĞLI VE SERBEST SİTOKİNİNLER 303 SİTOKİNİNLERİN DAĞILIMI 305 SİTOKİNİNLERİN TAŞINIMI 306 SİTOKİNİNLERİN AKTİF FORMLARI 306 OKUMA PARÇASI (KÜLTÜRE ALINMIŞ HÜCRELER SİTOKİNİN SENTEZLEME YETENEĞİ KAZANABİLİR) 307 Bitki Hücrelerinin Genetik Transformasyonu Sonucu Sitokininler Sentezlenebilir 308 SİTOKİNİNLERİN BİYOSENTEZİ 309 tRNA-Sitokininlerinin Sentezi 310 SİTOKİNİNLERİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 311 SİTOKİNİNİN ETKİ MEKANİZMASI 317



Bölüm 16: BİTKİSEL HORMONLAR: ABSİSİK ASİT, ETİLEN VE BENZER MADDELER 320 ABSİSİK ASİT 320 ABA’nm Kimyasal Yapısı Fizyolojik Aktivitesini Belirler 321 ABA’NIN DAĞILIMI 321 ABA TAYİNİ 322 ABA’NIN HAREKETİ 322 ABA’NIN BİYOSENTEZİ 323 ABA’NIN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 324 ABA’NIN BİYOKİMYASAL ETKİ ŞEKLİ 329 ETİLEN 331 ETİLENİN ÖZELLİKLERİ 332 ETİLEN ÜRETİMİNİN YAPILDIĞI DOKULAR 333 ETİLENİN HAREKETİ 334 ETİLENİN BİYOSENTEZİ 334 ETİLEN BİYOSENTEZİNİ UYARAN FAKTÖRLER 335



XI



ETİLEN İNHİBİTÖRLERİ 336 ETİLEN TAYİNİ 337 ETİLENİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 338 ETİLENİN BİYOKİMYASAL ETKİ ŞEKLİ 342 ETİLENİN TİCARİ KULLANIMI 343 DİĞER BÜYÜME REGÜLATÖRLERİ.344 BRASSİNOSTEROİDLER 344 KUMARİNLER 345 POLİAMİNLER 345 POLİAMİNLERİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ 346



Bölüm 17: BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMAYA KADAR MEYDANA GELEN GELİŞİM OLAYLARI 348 ÇİMLENME 348 Tohumun Yapısı 348 Tohumlann Canlılık Periyodu 350 Tohumun Çimlenmesi 352 Çimlenme Üzerine Işığın Etkisi 353 Çimlenme Üzerine Sıcaklığın Etkisi 353 TOPRAKTAN FİDELERİN ÇIKIŞI 354 Kanca Açılması Fitokromlar Tarafından Düzenlenir 354 GÖVDE UZAMASI 355 Hububatlarda ve Diğer Çimlerde Gövde Uzaması 356 İki Yıllık Bitkilerde Gövde Uzaması 357 Odunsu Bitkilerde Gövde Uzaması 357 YAPRAK GELİŞMESİ 359 Hormonlar Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenmesi 359 Işık ve Karanlık Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenmesi 359 Genetik Faktörler Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenmesi 360 ÇİÇEK VE KOZALAK OLUŞUMU VE GELİŞİMİ 361 Fotoperiyot Tarafından Çiçek Oluşumunun Düzenlenmesi 362 Çiçeklenme Üzerine Işık Kalitesinin Etkisi 365 Hormonlar ve Sıcaklık Tarafından Çiçek Oluşumunun Düzenlenmesi 366 ÇİÇEKLERDE ERKEK VE DİŞİ ORGAN GELİŞİMİ 369 MEYVE GELİŞİMİ 369 Hormonlar Tarafından Ovaryum Gelişiminin Düzenlenmesi 369 Meyve Olgunlaşması 370



Bölüm 18: FOTOMORFOGENEZİS 373 FİTOKROMUN FOTOKİMYASAL VE BİYOKİMYASAL ÖZELLİKLERİ 373 Fitokromun İki Formu Birbirine Dönüşebilir (Fotoreversibil) Özelliktedir 375 Çoğunlukla Pfr Fizyolojik Olarak Aktif Formdur 375 Pfr Miktarı Değişik Faktörlerle Kontrol Edilir 376 FİTOKROM TARAFINDAN TEŞVİK EDİLEN BİTKİ CEVAPLARI 377 Bitkilerde Fitokromun Etkileri Işığın Niceliğine Göre Sınıflandırılabilir 378 FİTOKROM BELİRLİ GÜNLÜK RİTİMLERİ DÜZENLER 378 FİTOKROMUN HÜCRESEL VE MOLEKÜLER ÇALIŞMA ŞEKLİ 379 Fitokrom Membranlarla Etkileşebilir 380 Kalsiyum ve Kalmodulin Bazı Pfr Cevaplanna Aracılık Edebilir 381 Fitokrom Gen Transkripsiyonunu Düzenler 383



XII



Fitokrom Kendi Gen Ekspirasyonunu da Düzenler 384



Bölüm 19: BİTKİLERDE 385 YERDEĞİŞİM HAREKETLERİ 385 AMÖBOIK HAREKETLER 385 PROTOPLAZMA HAREKETLERİ 385 TAKSİSLER (GÖÇÜM HAREKETLERİ) 385 DURUM DEĞİŞİMİ HAREKETLERİ 386 TROPİZMALAR 386 Fototropizma 386 Fototropizma Olayına Oksinlerin Yeniden Lateral Dağılımı Aracılık Eder 388 Geotropizma 389 Gövdede Geotropizma 391 NASTİLER 393



Bölüm 20: SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ 395 Sekonder Bitki Ürünlerinin Esas Fonksiyonu Herbivor ve Patojen Saldırılarına Karşı Bitkileri Korumaktır 395 Biyosentetik Kriterler Baz Alınarak Sekonder Ürünler Üç Ana Grupta Toplanabilir 396 1. TERPENLER (TERPENOİDLER) 397 Terpenlerin 5 Karbonlu Blokları Mevalonik Asit Yoluyla Sentezlenir 398 TERPENLERİN SINIFLANDIRILMASI 399 2. AZOT İHTİVA EDEN BİLEŞİKLER 401 ALKALOIDLERIN BİTKİLERDEKİ YERLEŞİMİ VE DAĞILIMI 402 ALKALOİDLERİN BİTKİLERDEKİ FONKSİYONU 403 3. FENOLİK BİLEŞİKLER 404 Çoğu Bitki Fenolikleri Şikimik Asit Yolu Ürününü Olan Fenilalaninden Sentezlenir 404 Basit Fenolikler Çevreye Yayılmak Suretiyle Diğer Bitkilerin Büyümesini Etkileyebilirler 406 Lignin, Primer ve Sekonder Rollere Sahip Kompleks Bir Fenolik Makromoleküldür 407 Flavonoidler Fenolik Bileşiklerin En Büyük Grubudur ve İki Farklı Biyosentetik Yolla Oluşturulurlar 408 Antosiyaninler, Çiçek ve Meyvelerde Bulunan Renkli Flavonoidlerdir 408 Flavonoidler Çekicilik Yanında Ultraviyole Koruyucusu ve Savunucusu Olarak Görev Yaparlar 409 İzoflavonoidler Antifungal ve Antibakteriyal Savunucu Olarak Görev Yaparlar 410 Tanninler Hayvanlar İçin Beslenme Koruyucusu Olarak Fonksiyon Gören Polimerik Fenolik Bileşiklerdir 411 FENOLLERİN SINIFLANDIRILMASI 413 OKUMA PARÇASI (ANTOSİYANİNLER BİTKİLERDE GÜZEL RENKLERİ OLUŞTURURLAR) 415



Bölüm 21:BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ 418 REKOMBİNANT DNA 419 BİTKİ BİYOTEKNOLOJİSİ POTANSİYELİ 420 MİKROÜRETİM 420 BİTKİLERİN KORUNUMU 421 BİTKİ METABOLİZMASI 424 BİTKİSEL ÜRÜNLER 425



Bölüm 22: BİTKİLERİN STRES FİZYOLOJİSİ 427 STRES ETKİLERİ 428 STRES DAYANIKLILIĞI: SAKINMA VE TOLERANS 429



STRES TİPLERİ 430 KURAKLIK STRESİ 431 KURAKLIK SAKINMASI VE TOLERANSI 431 DEHİDRASYON SONUÇLARI 432 KURAKLIK TOLERANS MEKANİZMALARI 433 SU FAZLALIĞI VE ANAEROBİYOSİS 434 SICAKLIK (ISI) STRESİ 435 SICAKLIK TOLERANS LİMİTLERİ 435 SICAKLIK TOLERANS MEKANİZMALARI 435 DÜŞÜK SICAKLIK VE DONMA HASARLARI 436 DONMA DAYANIRLIĞI DENEMELERİ 438 DONMA DAYANIKLILIĞI 439 YÜKSEK SICAKLIK STRESİ 440 IŞIKLANDIRMA (RADYASYON) STRESİ 441 ULTRAVİYOLE (UV) IŞINLARI 442 İYONİZE RADYASYON 443 TUZLULUK STRESİ 443 TUZ TOLERANS MEKANİZMALARI 444 ALLELOKİMYASAL STRES 444 EDAFİK (TOPRAK) KAYNAKLI STRES ÇEŞİTLERİ 445 YÜKSEKLİK STRESİ 445 KİRLİLİK STRESİ 447



KAYNAKLAR 449 İNDEKS 450



■



.



'



BÖLÜM 1



BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ Bitki hücreleri, inorganik (mineral maddeler) ve organik bileşiklerden yapılmıştır. Bitkinin yapısından su uzaklaştırıldığı zaman, geriye organik ve inorganik maddelerden oluşan kuru madde (biyomas) kalır. Bu kuru ağırlığın çoğunluğunu (% 90' nını) organik maddeler oluşturur. Bitkilerdeki inorganik ve organik madde grupları aşağıda kısaca açıklanacaktır.



BİTKİLERİN MİNERAL MADDE İÇERİĞİ Mineral elementler, bitkilerin küçük bir kısmını oluşturur. Bilindiği gibi bitkilerin taze ağırlığının % 80-95'ini su oluşturur. Su, oksijen ve hidrojenden oluşmasından dolayı bitkilerde en çok bulunan elementlerden ikisi hidrojen ve oksijendir. Bitkinin mineral elementjı içeriğini belirlemek için 70 °Cye ayarlanmış bir fırında 1 veya 2 gün kurutulan bitki parçalan kullanılır. Kurutma sonucu kalan maddeler bitkinin kuru ağırlığını oluşturur. Bu ağırlık orijinal ağırlığın %5-20'ini ihtiva eder. Kuru ağırlık, bitkinin hücre çeperi maddelerinden (esas olarak selüloz ve ilgili karbohidratlardan) kaynaklanır. Karbohidratları oluşturan elementler yani C, H ve O bitkinin kuru ağırlığının % 90'ını oluşturur. Bu kuru maddelerin yakılması ile karbohidrat kısmı elimine edilebilir. Karbohidratların yanması esnasında karbohidratların C, H ve oksijeni, su ve karbondioksit olarak kaybedilir. Geriye kalan kül, bitkinin kum ağırlığına karşılık gelen mineralleri ihtiva eder. Bu miktar, bitkinin taze ağırlığının %1,5'ini, bitkinin toplam kuru ağırlığının %10' unu oluşturur. Bitki materyallerindeki minerallerin nispi miktarları, bir dereceye kadar bitkinin büyüdüğü çevreye ve bitki tipine bağlıdır. Ayrıca bitkiler iyon alınımında türlere göre farklı seçici özelliğe sahip olduklarından, aynı ortamda yetişen farklı türlerin içerdikleri elementlerin miktarları da türden türe değişir (Tablo 1.1). Bitkilerdeki mineral elementlerin bazı fonksiyonları ve belirli



2



minerallerin yeterli olmadığı durumlarda ortaya çıkan semptomlar Tablo 1.2 ve Tablo 1.3'de gösterilmiştir. Tablo 1.1. Aynı Ortamda Büyütülen Farklı Bitki Türlerinde Bazı Elementlerin Kuru Ağırlığa Göre % Oranları______________ _______ _______ N



P



0,73



1,47



0,08



1,19



0,57



1,48



0,05



0,46



4,16



0,22



2,26



0,06



0,68



5,04



0,29



1,94



0,12



Bitkiler



Ca



K



Ayçiçeği



1,68



3,47



Fasulye



1,46



Buğday Arpa



Mg



ESENSİYAL BESİN ELEM ENTLERİ Toprakta bulunan çok sayıda elemente karşın, yüksek bitkilerin büyüme ve gelişmeleri için bunların 17 tanesinin gerekli olduğuna inanılmaktadır. Tablo 1.2'deki listedeki ilk 6 element bitkilerde nispeten yüksek miktarlarda mevcuttur. Bunlar bitkinin kuru ağırlığının % 0,15'den daha fazlasını ihtiva eder. Nispeten bitkilerce yüksek miktarlarda ihtiyaç duyulan bu elementler makroelement olarak bilinirler. Bu elementler azot, fosfor, potasyum, kalsiyum, magnezyum ve kükürt olup karbon, oksijen ve hidrojenle birlikte bitkinin en büyük kısmını oluştururlar. Bu 9 elementin aksine, diğer elementlere bitki tarafından çok az ihtiyaç duyulur ve mikroelement (iz veya eser element) olarak adlandırılırlar (Tablo 1.3). Bu elementler ise demir, bor, mangan, çinko, molibden, bakır ve klordur. Son zamanlarda bu elementlere nikel de eklenmiştir (Dalton ve ark. 1988). Belirli bir elementin gerekliliğini test etmek için bitkiler, o elementin olmadığı bir tam besi ortamında bekletilirler. Eğer bitki anormal gelişiyorsa ya da hayat devrini tamamlama yeteneğinde değilse, bu kaybedilen elementin önemli olduğu düşünülür. Bitkilerde element eksiklik belirtilerine dayalı olarak çeşitli tayin anahtarları yapılmıştır. Bu anahtara dayanılarak, herhangi bir bitkideki eksik element bulunabilir ve bu eksiklik giderilebilir. Bu belirtilerden en önemlisi klorozis (klorofilin parçalanması olup, yaprakların sararması ile gözlenir) ve nekrozis (yapraklar üzerinde yaraya dönüşmüş bölgelerin oluşması) dir. Ancak bu işlemlerin sağlıklı yapılabilmesi için, bitkide beliren ve bulaşıcı olmayan belirtilere yol açan mineral eksikliklerinin, toprak ve bitkilerde yapılacak mineral element analizlerine dayandırılması gerekmektedir.



3



BÖLÜM 1 BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ



Birçok mineraller, bitkide aşın bulundukları zaman bitki için toksik olabilirler. Bu, özellikle kurşun, kadmiyum ve alüminyum gibi önemli olmayan elementler için geçerlidir. Fakat mikroelementlerin de bazıları (örneğin bakır gibi) yüksek konsantrasyonlarda toksik olabilirler.



Tablo 1. 2. Bitkilerin Büyümesi İçin Gerekli Olan Makrobesin Elementleri Element



% Kuru Ağırlık başına



Absorbe edildiği form



N



1,5



N 0 3 veya nh4



P



0,2



K



Ca



Gübre formu



Eksiklik belirtisi



hpo2



(NH2)2CO (üre) (NH4)2S 0 4, n h 3, NH4NO j, (NH4)3P 0 4 Ca(H2P 0 4)2 (NH4)3P 0 4



1,0



K+



KC1



Yapraklann özellikle olgun kısımlarında açık yeşil bazen san veya kırmızı lekeler ile yavaş büyüme Yapraklarda koyu yeşilden eflatuna kadar çeşitli renkler, zayıf meyve verme, olgunlaş­ madan meyvelerin dökülmesi Benekli ya da kıvnlmış yapraklar, yavaş büyüme, kök sisteminin zayıf gelişmesi



0,25



Ca2+



H2P 0 4 veya



Mg



0,2



M g 2+



S



0,2



so„2-



CaO (yanmışkireç), Ca(OH)2(sönmüş kireç), CaC03, CaS04 (alçıtaşı)



Uçtaki tomurcuklann bozulması veya ölmesi, kök büyümesinde azalma



Özellikle yaşlı yapraklann M gS04(İngiliz tuzu), damarlan arasında klorozis, M g(N 03)2, MgCl2 sonra yaprak kenarlanna ve uçlanna yayılma Azot eksikliğine benzer açık yeşil yapraklar ve yavaş (NH4)2S 0 4 CaS04 büyüme



ESENSİYAL OLMAYAN ELEMENTLER Tablo 1.2 ve 1.3'de bitkilerde bulunabilen bütün minerallerin ayrıntılı listesi verilmemiştir. Pratik olarak, tabii olan bütün minerallerin bitkide bulunabileceği, fakat çoğunluğunun bitkisel fonksiyonu olmadığı görülmüştür. Sodyum, alüminyum, kobalt, silisyum, iyot, flor, selenyum ve baryum gibi elementler bitkide mevcut olmasına rağmen, bu elementlerin bitkisel fonksiyonlar için önemliliği yoktur. Bitkiler normal olarak önemli miktarlarda sodyum ihtiva ederler, fakat bitkiler bu elementin yokluğunda normal olarak gelişebilirler. Sodyuma sadece



4



bazı halofıtler ihtiyaç duyar. Halofitler, yüksek tuz içeriğine sahip topraklarda büyümeye adapte olmuş bitkilerdir. Örneğin Atriplex vesicaria türünde yüksek oranda sodyum birikir ve bu bitkinin normal büyüme ve gelişmesi sodyuma bağlıdır. Tablo 1.3. Bitkilerin Büyümesi İçin Gerekli Olan Mikrobesin Elementleri % Kuru Ağırlık başına



Absorbe edildiği form



Gübre formu



Fe



0,1



Fe2+ veya Fe+3



Demir şelatları



B



0,0006



Bo'3 veya B40 72



Na2B40 7 (Sodyum tetraborat)



Mn



0,03



Mn2+



M nS04



Element



Zn



0.0008



Zn2+



ZnS04



Mo



0.0001



Mo0 42‘



Na2M o04 (sodyum molibdat)



Cu



0,0006



C u 2+



CuS04.5H20 CuO



Cl



0,1



Cl



KC1



Ni



Çok az



Ni2+



Eksiklik belirtisi



Genç yapraklarda genel klorozis, damar bölgelerinin sarıya dönüşmesi Uçlarda ölüm ya da hasar, biçimi bozulmuş ve kolay kınlan yap­ raklar, kök büyümesinde gecikme Demir eksikliğine benzer belirti­ ler, ilk damarlar arasında gelişen klorozis Yaprak büyümesinin gecikmesi, kısa intemodlar, anormal düzen­ de kök saçaklan Damarlar arasında klorozis, yapraklann kıvnlması, manganez veya demir eksikliğine benzer özellikler Sık sık kenarlannın kıvrılmasıy­ la oluşan klorozitik yapraklar, sürgün uçlannda tepeden köke doğru kuruma, lateral tomurcuklann çalı gibi görünen sürgün vermesi Genç yapraklar mavimsi yeşil ve parlak, daha sonra kırmızımsı kahverengi (güneşte yanmış gibi) görünüm de olması ve ölmesi. Yapraklarda klorozis ve nekrozis. Zayıf gelişimli fideler.



Diğer taraftan çoğu bitkiler topraktan silisyumu absorblar ve hücre çeperine bağlarlar. Silisyum, diatomlerin hücre çeperlerinin önemli bileşenidir. Ayrıca silisyum atkuyruğu külünün %16'sını oluşturur ve hücre çeperine esneklik verir. Aynı zamanda kalın bir yapı oluşturur. Bu özellikten dolayı bu bitki ilkel Amerikan kabilelerinde tepsi ve kapların temizlenmesinde kullanılır



5 BÖLÜM 1



BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASALBİLEŞİMİ



ve temizleyici hasır otu (saz) olarak adlandırılır. Ayrıca silis, bütün otların (hububatlar dahil) çiçek braktelerinde, yaprak ve gövde hücre çeperlerinde silika gel (SİO2. H2O) olarak önemli miktarlarda bulunur. Bitkiler için kobaltın önemi tamamıyla azot metabolizması ve azotun kullanılabilirliği ile ilgilidir. Genelde bitkiler kobalta ihtiyaç duymazlar. Bununla birlikte kobalt, azot tikse eden bakteriler tarafından atmosferik azotun, bitkiler tarafından kullanılabilir azot formuna dönüştürülmesinde önemli rol oynar. Burada kobalt ihtiyacı konukçu bitkiden ziyade bakteri için gereklidir. Böylece kök nodüllerinde azot fıkse eden bakteriler ihtiva eden, baklagil gibi bitkilerin gelişmesi kobalta bağlıdır (eğer toprakta yeterince kullanılabilir azot yoksa). Bu durumda kobalt, dolaylı olarak bitkide azot eksikliğine yol açabilir.



BİTKİLERİN ORGANİK MADDE İÇERİĞİ Bitkilerde bulunan başlıca organik maddeler karbohidratlar, lipidler ve proteinlerdir.



KARBOHİDRATLAR Karbohidratlar 1:2:1 oranında C, H ve O' den oluşurlar. Karbohidratlar için genel molekül formülü (CH20)n'dir. Örneğin glukoz, CgH^Og formülüne sahip bir karbohidrattır. Karbohidratlar, hücre çeperinin en önemli kısmını oluştururlar. Ayrıca sitoplazmada bulunur ve depolanmış önemli enerji kaynağıdırlar. Monosakkaritler Karbohidratların esas yapı taşı monosakkaritler ya da basit şekerlerdir. Bu basit şekerler 3-7 karbon atomuna sahiptirler. Karbon sayılarının sonuna " oz" eki getirilerek isimlendirilirler. Böylece 3 C' lu bir şeker trioz; 4 C 'lu tetroz; 5 C 'lu pentoz; 6 C 'lu heksoz vs. olarak adlandırılır. Heksoz ve pentozlar, bitkilerdeki en önemli monosakkaritlerdir. Hücre çeperinde yer alan polisakkaritlerin büyük bir kısmının temel birimini oluştururlar ve bitki hücrelerindeki enerji olaylarında önemli rol oynarlar. Monosakkaritlerden 3 tanesinin yapısı (riboz, glukoz ve fruktoz) şekilde verilmiştir (Şekil 1.1). Bir pentoz olan riboz, nükleik asit sentezi için önemli olup, RNA ve DNA'nın yapısında bulunur.



6



H 1 1 C = 0 | H — c — OH |



H i 1 c = o | H — Ç — OH HO — C — H



H — c — OH j



H — C — OH I 1 H — C — OH |



H — C — OH | H — c — OH | 1 H



H — C — OH I 1 H



H H — c — OH c = | HO — C — 1 H— C— | H— C —



o H OH OH



H — c — OH I1 H



C H 2O H H O Ç ^ O ^ O H



hN



L İ^ h T T OH OH



H J~0 xiH



H O C H j^ V



\\h o



f e



j n



H



OH



Rıboz(pentoz)



Glukoz (heksoz)



C 6H 10°5



C 6H 12°6



H XI



C H 2O H o îy | 1 /D H



r — f OH



H



Fruktoz (heksoz) C 6 h 1206



Şekil 1.1. Önemli bazı monosakkaritlerin açık ve kapalı formülleri Glukoz, bitkideki çok önemli moleküller için bir kalıptır. Örneğin hücre çeperi materyali ve nişastanın sentezinde kullanılır. Glukoz, fotosentezin esas ürünü olup, bitkiye enerji sağlanmasında önemli role sahiptir. Fruktoz da bitkideki enerji olaylarında önemli rol oynar. Glukoza dönüşmesinden dolayı glukozun katıldığı bütün metabolik yollara katılabilir. Hem fruktoz hem de glukoz olgun meyvelere tat verir.



Disakkaritler Disakkaritler iki monosakkaritin birleşmesi ile oluşurlar. Çay şekeri (sakkaroz), glukoz ve fruktozun birleşmesi ile meydana gelir. Maltoz ise iki molekül glukoz ihtiva eden bir disakkarittir (Şekil 1.2). İki monosakkarit, bir disakkarit meydana getirmek için, iki monosakkaritten bir su uzaklaştıran (bir monosakkaritten bir-OH grubu, diğer monosakkaritten bir -H grubu) enzimatik bir reaksiyonla birbirine bağlanır. Bu tip reaksiyonlarda, bir mol su açığa çıkarılır. Bu reaksiyon dehidrasyon reaksiyonu olarak adlandırılır. Bu reaksiyon dönüşümlü olup, disakkaritler de, su ilavesi ile enzimatik olarak iki serbest monosakkarite parçalanır. Su ilavesi ile meydana gelen reaksiyonlara da hidroliz reaksiyonu denir.



7 BÖLÜM 1 BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ



Su ilavesi



c h 2o h



c h 2o h



c h 2o h



c h 2o h



Dehidrasyon



Hidroliz



(+h 20)



OH



H



Glukoz Glukoz Su oluşumu



M altoz



Su ilavesi



C H 2OH



c h 2o h



CH 2OH ^



\



H HO



H,



M



Oh ,



Dehidrasyon



H



OH ( OH



İh )



o



oh



h



Fruktoz Su oluşumu



°v



( - H üO) Hidroliz



Glukoz



/ CH 2OH



(4- H20) C H 2OH



H



HOy



OH



H



OH H



OH



+ H20



C H 2OH



Sukroz (sakkaroz)



Şekil 1.2. Maltoz ve sakkaroz oluşumu ve parçalanması sırasında hidroliz ve dehidrasyon reaksiyonları



Polisakkaritler Aynı çeşit birçok molekülün birbirine bağlanmasıyla oluşan zincir yapısı polimer olarak isimlendirilir. Üç ya da daha fazla şeker molekülü, bu şekilde birbirine bağlandığı zaman, söz konusu polimer polisakkarit olarak adlandırılır. Bitkilerde bulunan çok önemli bazı polisakkaritler arasında nişasta, inulin, selüloz, hemiselüloz ve pektik asit sayılabilir. Polisakkaritler monosakkaritlerin birleşmesi ile oluşurlar. Örneğin nişastayı meydana getiren monosakkarit aglukozdur. a-glukoz halka formunda olduğu zaman, özel bir glukoz konfıgürasyonuna sahip olur. Bilindiği gibi glukozun 6 karbon atomu 1-6 sayıları ile numaralandırılır, a-glukozda bir nolu karbon atomu üzerindeki hidroksil grubu (-OH) halkanın alt kısmında, P-glukozda ise halkanın üst kısmında yer alır (Şekil 1.3). Glukoz molekülleri, bir molekülün üzerindeki 1. karbon atomu ile diğer molekül üzerindeki 4. C atomunun hidroksil grubu arasında bir mol su çıkışı ile birbirlerine bağlanırlar. Bu oluşan bağ 1,4-glikozidik bağı olarak adlandırılır (Şekil 1.4). a-glukoz molekülleri bu şekilde birbirlerine bağlandıkları zaman, söz konusu bağa a- glikozidik bağı denir. Amiloz, şekilde gösterildiği gibi a1,4 bağları ile glukoz moleküllerinin birbirine bağlanmış uzun zincirlerinden



8



oluşan bir nişasta tipidir. Bazı durumlarda, iki a-glukoz molekülü 1,6 bağı ile birbirine bağlandığı zaman dallanma oluşur. Yani bir zincir üzerindeki bir glukoz molekülünün 1 nolu karbon atomu ile diğer zincir üzerindeki bir glukoz molekülünün 6 nolu karbon atomu arasında bir bağ (1,6-glikozidik bağı) oluşur. Bu tip nişasta polimeri amilopektin olarak adlandırılır. Çoğu bitkilerde nişastanın büyük bir kısmı amilopektin formundadır. Nişasta, hücrede amiloplast olarak adlandırılan granüllerde bulunur ve bu granüller içerisinde nişasta birikimiyle konsantrik tabakalar oluşur. Nişasta, bitkilerin büyük bir çoğunluğunun kök, gövde, yaprak ve tohumlarındaki depo formudur. Nişasta, amilaz enzimi ile maltoz (iki a-glukoz molekülünden oluşur) adı verilen bir disakkarite parçalanır.



c h 2o h



-o h HO— C — H H-



a-glukoz



I,



•OH



H- - C — OH i6 c h 2o h



Şekil 1.3. a-glukoz ve P-glukoz moleküllerinin karşılaştırılması



a -1,4 bağlı glukozlar (A m ilo z)



Şekil 1.4. a - 1,4 glikozidik bağının oluşumu (amiloz) Bitkilerde karbohidratlann nişastadan başka depo formları da bulunur. Örneğin funguslarda ve mavi-yeşil bakterilerde (siyanobakteri) karbohidratlann



BÖLÜM 1 BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ



esas depo formu glikojendir. Glikojen, nişastadaki amilopektine benzer (daha az dallanmış) bir a-glukoz polimeridir. Glikojen, hayvansal dokularda bir depo polisakkariti olup, özellikle kas ve karaciğerde bulunur. Bazı bitkilerde (örneğin karahindiba) karbohidratların depo formu inulindir. İnulin 6 karbonlu bir fruktoz polimeridir. Bitkilerde yapısal polisakkaritlerin en önemlisi selülozdur.



Selüloz,



nişasta amilozuna benzer uzun ve düz bir glukoz polimeridir. Bununla birlikte selüloz, P-glukoz birimlerinden meydana gelmiştir. Buradaki



P-1,4 glikozidik



bağları şekilde (Şekil 1.5) gösterilmiştir. Sonuç olarak, selülozun özellikleri, nişastadan çok farklı olup, nişastayı parçalayan enzimlerin hidrolizine karşı duyarlı değillerdir. Hücre çeperindeki her biri binlerce glukoz molekülünden oluşmuş selüloz zinciri, demet başına 100 selüloz zincirinden oluşmuş demet grupları halinde bulunurlar. Selüloz zincirlerinden oluşan bu demetler, selüloz mikrofibrilleri olarak adlandırılır. Hücre çeperindeki selüloz mikrofıbrilleri, çeper matriksiyle kuşatılmıştır. Bu matriksi oluşturan bileşenlerin birisi kompleks şeker karışımından meydana gelen hemiselülozdur. h 2o



p-1,4 bağlı glukozlar (Selüloz)



Şekil 1.5. P-1,4 glikozidik bağının oluşumu (selüloz) Hücre çeperindeki diğer önemli polisakkarit ise pektik asittir. Pektik asit, bir galakturonik asit polimeridir. Galakturonik asit, bir asit grubu ihtiva eden



6



karbonlu



bir şekerdir (Şekil 1.6).



Pektik asidin kalsiyum ve



magnezyum tuzları, komşu hücrelerin çeperleri arasında yer alan orta lamelin önemli bir kısmını oluşturur.



10



Galakturonik asit



Pektik asit(poligalakturonik asit)



Şekil 1.6. Galakturonik asit ve pektik asit LİPİDLER Lipidler, karbohidratlardan oldukça farklılık gösteren yağ veya yağımsı maddelerdir. Suda çözünmezler. Bilindiği gibi karbohidrat polimeri olan nişasta ve selüloz dışındaki diğer karbohidratlar suda çözünürler. Yine karbohidratlarla karşılaştırılırsa lipidler, C ve H atomlarını daha yüksek bir oranda bulundururlar. Yağlar Lipidler, genellikle yağ formunda depolanır. Yağlar, gliserol (3 C' lu bir alkol) ve yağ asitlerinden oluşur. Yağ asidi moleküllerinin bir ucu suda çözünebilirken (hidrofilik), diğer ucu suda çözünmez (hidrofobik). Bir yağın çeşidi, gliserolün 3 karbon atomuna bağlanan yağ asitleri ile tayin edilir (Şekil 1.7). Gliserolün hidroksil grubu ile yağ asitlerinin karboksil gruplarının hidroksilleri arasında ester bağı oluşur. Hücrede yağ asitleri, lipid cisimcikleri olarak adlandırılan vesiküllerde depolanır. Lipidler, bazı bitkilerin (limon gibi) kloroplastlannda olduğu gibi damlacıklar halinde de depolanabilir.



Fosfolipidler Fosfolipidler, lipidlerin depolanmayan formudur. Bunlar gliserolün iki karbonuna iki yağ asidinin, 3. karbonuna ise fosfatın bağlanmasıyla oluşurlar. Bu durum fosfolipid molekülünün bir ucunu suda çözünebilir, diğer ucunu ise suda çözünemez yapar. Fosfolipidler hücre zarının önemli bir bileşenidirler. Mumlar Bitkilerde bulunan lipidlerin diğer bir sınıfı mumlardır. Mumlar, uzun zincirli alkollerle birleşmiş yağ asidinden oluşurlar. Hem hayvanlarda (örneğin



11 BÖLÜM 1 BİTKİ HÜCRELERİNİN KİMYASAL BİLEŞİMİ



arı mumu) hem de bitkilerde mevcutturlar.



Mumlar, yağ asidi ve diğer



maddelerle karışık olarak yaprak yüzeyinde su kaybını önleyen kutikula tabakasını oluştururlar. Mumların, süberin ile de ilişkileri vardır. Süberin, lipid ihtiva eden kompleks bir karışım olup, yaşlı kök hücrelerinde ve ağaç kabuğundaki mantar hücrelerinin çeperlerinde bulunur. Süberin kutikulaya benzer olup, suya geçirgen değildir.



H



1



-



0 1



-



1



1



0



1



H



H H H H H H 1 1 1 |1 1I 1I - c - c — C— - c 1 1 1 1 1 1 1 H H H H H H H 1



-



1



-O 1 -O -



H



H H H 1 1 1 c — c —c 1 1 1 H H H



H H H H I I 1 I1 c —c-- c - c - : I1 I1 1 I H H H H



Palmitik asit (yağ asidi) C^H^COOH H 1



H



H -C ; - o - c - ( c h 2)14c h 3



1



H - C - OH H — c - OH 1 - O 1 w 1



H Gliserol



^ w



OH



0 H - C : - o - c _ ( c h 2)14c h 3



YAĞ



0 H —(: - o - c _ ( c h 2)14c h 3 ,_________ H 1 1_____________ 1 Gliserol Palmitik asit (3 molekül)



Şekil 1.7. Gliserolün yağ asitleri ile birleşerek bir yağ molekülünü oluşturması PROTEİNLER Proteinler, lipid ve karbohidratlardan daha kompleks ve büyükçe moleküller olup, esas yapısını amino asitler oluşturur. Amino asit adı, bütün amino asitlerin bir amino grubu (-NH2) ve bir asit yani karboksil grubu (-COOH) ihtiva etmelerinden dolayı verilmiştir. Bütün amino asitler C, H, O ve N ihtiva eder, ayrıca bazıları S bulundurur (metiyonin ve sistein gibi). İki amino asitten, birisinin karboksil grubu ile diğerinin amino grubu arasında bir su çıkışı meydana gelerek peptid bağı oluşur. İki amino asit birbirine bağlanırsa dipeptid, 3 amino asit bağlanırsa tripeptid adını alır. Bu durum uzun amino asit zinciri oluşuncaya kadar devam eder. Bu amino asit polimerlerine polipeptid adı verilir. Proteinler de polipeptidlerdir. Küçük proteinler 100-300, büyük proteinler 1000’nin üzerinde amino asit ihtiva edebilirler. Genelde bitki proteinlerinde 20 farklı amino asit bulunur.



13 bölüm



ı



bİ tk! hücrelerinin kİmyasal b Ileşİm I



R-COOH -» R-COO- + H+ Burada R ; -COOH grubunu ihtiva eden molekülün diğer kısmım ifade eder. Organik asitlerin ayrışmayan formları (R-COOH) "-ik" son eki ile adlandırılır. Örneğin pirüvik asit, malik asit gibi. Bu asitler ayrıştığı zaman (R-COO*) aynı adı alır, fakat "ik" eki yerine "at" eki ilave edilir. Örneğin pirüvat, malat gibi (Şekil 1.8). Bitki hücreleri, özellikle vakuollerinde, büyük oranda organik asit ihtiva ederler. Vakuollerin bu yüksek organik asit içeriği, söz konusu organellerde pH düşüşüne (pH=5 veya daha düşük) neden olur. Bu organik asitler, bitki hücresi metabolizmasında önemli rol oynarlar ve birçok meyvenin ekşimsi tadına katkıda bulunurlar. Bitki hücrelerinde bulunan bazı organik asitlerin açık formülleri aşağıda gösterilmiştir. Bitki hücreleri zayıf bazları da ihtiva eder. Örneğin bir amino grubu (-NH2) ihtiva eden bileşikler, H+ iyonlarını zayıf olarak kabul etme eğiliminde olduğundan dolayı, zayıf baz olarak kabul edilirler ve sonuç olarak NH3+ meydana gelir. R-NH2 +



COOH I C=0 1 ch3 Piruvik asit



COOH | CHOH | CHo | 2 COOH Malik asit



cooI C=0 1 ch3 Pinıvat



COO" | CHOH | ch 2



1 COOMalat



H+



R-NH3+ co cr I



ch2



ch2



CH2



ch2



COOH Süksinik asit



I COO-



2



Süksınat



COOH |



COO"



ch 2



CH2



I I



| HO -C—COOH



HO-C—COO"



ch 2



ch 2



COOH Sitrik asit



I COO“ Sitrat



Şekil 1.8. Organik asitlerin ayrışmayan ve ayrışan formları



BOLUM 2



SU VE HÜCRE Bitkilerin büyümesinde, yayılışında ve veriminde su kadar etkili bir faktör yoktur. Yeryüzünün dörtte üçü sularla kaplıdır ve büyük bir kısmı da yeraltı kaynaklarında bulunmaktadır. Su, bütün toprak çeşitlerinde ve soluduğumuz havada da mevcuttur. Hem bitki hem de hayvanların canlı hücrelerinin önemli bir bileşeni olması, bu yaygın sıvının çok nadir özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Bilindiği gibi canlı organizmaların %70-80' i sudan oluşmaktadır. Kuraklığa toleranslı bitkilerde su içeriği % 20, kuru bitki tohumlarında ise % 5 civarındadır. Fakat bu iki durumda da metabolizma aktif değildir. Ancak su miktarı normal seviyeye ulaştığında metabolizma aktif olmaya başlar. Bu durum suyun canlılar için ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Oksijensiz yaşayabilen canlılar olabildiği halde, susuz yaşayabilen canlılar mevcut değildir. Böylece su, protoplazmanın tüm reaksiyonlarının cereyan ettiği bir yaşam sıvısı (hayat sıvısıjdır. Metabolik olaylarda reaksiyona giren yapı taşları suda çözünmüş durumdadırlar, yani su molekülleri tarafından sarılmışlardır. Bu olay kimyasal reaksiyonları büyük ölçüde kolaylaştırır. Ayrıca su molekülleri genellikle fotosentez ve yağ parçalanması gibi olaylarda doğrudan reaksiyonlara katılabilir. Metabolik reaksiyonları katalize eden proteinik yapıdaki enzimler dahil, protoplazmanın makromolekülleri (nükleik asitler, nişasta, selüloz ve pektinler) su molekülleri ile kurdukları bağ sayesinde kendilerine özgü yapılarını kazanırlar. Bu yapının bir özelliği olan kolloidal durum, canlılığın temeli olan protoplazmik yapıyı karakterize eder.



15 BÖLÜM 2



SU VE HÜCRE



Diğer taraftan canlılık için gerekli osmoz, difüzyon, protoplazmik hareketler, turgor, plazmoliz ve benzer olaylar suyun kendine özgü özellikleriyle gerçekleşmektedir. Suyun basınç altında sıkıştırılamaması, bitkilerin yapısı ve fonksiyonu için önemlidir. Daha sonra açıklanacağı gibi, bitki hücreleri suyu yukarı çekmek için güçlü bir kuvvete sahiptir. Bu sebeple, bitki hücreleri sık sık yüksek içsel su basıncı (hidrostatik basınç) meydana getirirler. Bu içsel su basıncı sonucunda turgor oluşur. Turgor, bitkilerin bazı yumuşak dokularının (örneğin yaprak) şekli için önemlidir. Bu dokuların su içeriği azaldığında, basınç da azalır ve solgunluk (solma) meydana gelir. Turgor büyüme için zorunludur. Minimum düzeyden daha aşağıdaki bir hidrostatik basınca sahip hücreler ise büyüyemezler. Suyun çözücülüğüne bağlı olarak gerekli elementlerin veya enerjinin taşınması bitki için çok önemlidir. Söz konusu bu maddeler suda çözünmüş durumda, bitkilerin farklı doku ve organlarında bulunurlar ve taşınarak, bitkinin çeşitli ihtiyaçlarına cevap verebilirler. Bu etkinliklerin bütünü bitkilerin su metabolizmasına ilişkin olaylarının temelini oluşturur.



SUYUN ÖZELLİKLERİ Su, tatsız, kokusuz, renksiz bir sıvıdır. Suyun önemli fizyolojik özelliklerinden bazılan Tablo 2.1'de gösterilmiştir. Suyun önemi, fiziksel ve kimyasal özelliklerinden (özellikle su molekülünün yapısından) kaynaklanır. Su molekülü, oksijen atomunun iki yanma 104,5 0 lik açı oluşturacak şekilde kovalent olarak bağlanmış iki hidrojen atomundan oluşmuştur. Molekülün oluşumunda, hidrojen atomlarının bu bağlanış asimetrisi, su molekülüne dipolar (çift kutupluluk) özellik kazandırmaktadır. Başka bir ifade ile su polar bir bileşik olup, hidrojenlerin bağlandığı yön pozitif, oksijen atomunun konumlandığı yön ise negatif yüklüdür. Elektriksel yüklerin asimetrik dağılımı nedeniyle, su molekülleri birbirleriyle bağlantı oluştururlar. Böylelikle bir su molekülündeki pozitif yüklü hidrojen atomunun, diğer bir su molekülündeki negatif yüklü oksijen atomuna bağlanmasıyla hidrojen bağı oluşmaktadır (Şekil 2.1 ve 2.2). Hidrojen bağları kovalent bağlara oranla zayıftır. Su molekülleri arasındaki hidrojen bağının ortalama bağ enerjisi 4,5 kcal/mol iken, O-H kovalent bağı için bu değer 110 kcal/mol'dur. Hidrojen bağlarının zayıf olması biyolojik moleküller için iyi bir avantajdır.



16



Tablo 2.1. Suyun Fiziksel Özellikleri Ö z ellik ler



T a n ım la m a



D eğ e ri ve sın ırı



için Yüksek (1 cal)



Spesifik ısı



1 gram suyun sıcaklığını 1 °C artırmak gereken ısı miktan



Buharlaşma ısısı



20 °C'de 1 gram suyu, su buhanna dönüştürmek Çok yüksek (586 cal) için gereken ısı miktan Yüksek (80 cal) 0 °C’de 1 gram buzu eritmek için gerekli olan ısı miktan Molekül ile ortam arasındaki çekim kuvveti Yüksek Su molekülleri arasındaki çekim kuvveti Yüksek Işık eneıjisini absorblama yeteneği Çok düşük Bir dış kuvvet uygulanarak azaltılabilen hacmin Çok düşük büyüklüğü



Erime ısısı Adhezyon gücü Kohezyon gücü Işık absorbsiyonu Sıkıştın İma



Su Yüksek Bir Buharlaşma Isısına Sahiptir Buharlaşma ısısı, 20 °C'de 1 g sıvıyı (su) tamamen gaz haline (su buharı) dönüştürmek için gereken ısı miktarıdır. Bilindiği gibi 100 °C’ de bir gram suyu bir gram su buharına dönüştürebilmek için 540 kaloriye ihtiyaç vardır (Bu değer etanol için 204, aseton için 125 ve kloroform için 59 cal/gramdır). Bu yüksek buharlaşma ısısı, sudaki hidrojen bağlarının kuvvetli olmasıyla açıklanmaktadır. Kuşkusuz bu durum canlı sistemin kararlı halde bulunmasında büyük rol oynadığı gibi, bitkisel ve diğer organizmaların transpirasyon ile serinlemelerinde çok büyük bir önem taşımaktadır. Yani bitki yüzeylerinden suyun buharlaşması, bitkide büyük bir soğutucu etki yapar. Su ısıtıldığında yavaş yavaş buharlaşır ve böylece ortama enerji dağılımı sağlanır. Bu olay termodinamik yönden önemli olup, canlılar bu yolla bünyelerindeki aşırı ısıyı kaybederler. Bu şekildeki bir ısı kaybı, yoğun güneş ışığı altındaki bitkilerin yapraklarındaki sıcaklığı düzenleyen önemli bir mekanizmadır. Su Aynı Zamanda Yüksek Bir Erime Isısına da Sahiptir Örneğin su için erime noktası 0 °C olmasına rağmen etanol için -117, aseton için -95 °C’dir. Sudan sonra en yüksek erime ısısına sahip bileşik amonyaktır. Bir gram buzu 0 °C’ de eritebilmek için 80 kalorilik bir enerjiye ihtiyaç vardır. Suyun erime ısısının yüksek olması, yine hidrojen bağlarıyla ilişkili olup, suyun donmasını geciktirici ve biyolojik sistemin düşük sıcaklığa dayanıklılık kazanmasını sağlayıcı bir özelliktir. Diğer taraftan buz (katı) haline geçen suyun hacminde de genişleme olmakta ve böylece canlı dokulara zarar verebilmektedir. Donma sırasında su hacminin genişlemesi nedeniyle, artan basınç buzun daha düşük sıcaklıkta erimesine yol açar, yani basınç erime



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



17



noktasını düşürür. Diğer maddelerde ise artan basınç genellikle erime noktasının yükselmesine neden olur. Sıvı halde suyun yoğunluğu katılaşmış suya (buz) göre daha yüksektir. Böylece diğer maddelerden farklı olarak yaklaşık 4 °C’de su sıvı halde maksimum yoğunluğa sahiptir. Sıvı durumda moleküller daha sıkı olarak yer alır. Bu özellikten dolayı buzlar gölün dibine batmaz, yüzeyde kalırlar. Bu durum su altındaki sucul bitkilerin canlı kalması için çok önemlidir. Suyun Özgül (Spesifik) Isısı Yüksektir Bir maddenin spesifik ısısı, o maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 °C artırmak için verilmesi gereken ısı miktarı olarak tarif edilir. Bir gram suyun sıcaklığını 1 °C artırmak için yaklaşık olarak 1 kalori gerekmektedir. Suyun özgül ısısı amonyak dışında diğer bütün organik çözücülerinkinden yüksektir. Bu durum su içerisinde su moleküllerinin yerleşimleriyle ilişkili olup, moleküldeki oksijen ve hidrojen atomlarının bağımsız iyonlar gibi hareket edebilme yeteneklerinden kaynaklanmaktadır. Böylece su, sıcaklıkta fazla artış olmadan fazla miktarda enerji depolayabilmektedir. Su, yüksek spesifik ısıya sahip olduğundan, yüksek su içeriğine sahip bir dokunun sıcaklığını değiştirmesini zorlaştırır. Örneğin, bitki dokularının % 85-90'ı su olduğundan, dokuların sıcaklığını hızla değiştiremez. Bu nedenle canlı organizmalardaki sıcaklıkla ilgili olarak metabolik olayların hızları daha kararlı bir durum almaktadır. Su Yüksek Bir Adhezyon ve Kohezyon Kuvvetine Sahiptir Su yüksek adhezyon (molekül ile ortam arasındaki çekim) kuvvetine sahiptir. Su moleküllerinin dipolar olması nedeniyle pek çok maddeye (hücre çeperi ve cam yüzeyi gibi) kolayca bağlanmaktadır. Bu özelliğinden dolayı su, büyük moleküller tarafından kuvvetle çekilirler. Örneğin, su molekülleri odun selülozu, jelatin, yüklü proteinler ve çeşitli tohum bileşenleri tarafından tutulurlar. Su moleküllerinin diğer moleküller tarafından çekilmesi yani adhezyonu bitkide su ve mineral madde taşınmasında son derece önemlidir. Diğer taraftan hidrojen bağlarından kaynaklanan su molekülleri arasındaki çekim kuvveti kohezyon (moleküller arası çekim) olarak adlandırılır ve su yüksek bir kohezyon kuvvetine sahiptir. Kohezyonun bir sonucu olarak su, yüksek bir yüzey gerilimine sahiptir. Su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetinin, su ve hava arasındaki ilişkiden çok yüksek olması, yüzey gerilimi oluşturur. Böylece yüzeydeki su molekülleri, su kitlesinin merkezine doğru



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



19



yük dağılışı gösteren polar molekül yapısı da önemlidir. Moleküllerin polaritesi, dielektrik sabitesi olarak bilinen bir katsayı ile ölçülür. 25 °C’de suyun dielektrik sabitesi 78,4, metanolün 33,6, etanolün 24,3 ve benzenin 2,3 dür. Böylece polar olmayan organik çözücülerde (benzen ve hekzan) çok düşük oranda çözülebilen yüklü iyon veya moleküller için su mükemmel bir çözücüdür. Bitkilerdeki önemli çözülebilir maddelerin çoğunluğu ise yüklüdür. Örneğin oksijen atomlarına, hidroksil gruplarına veya amino gruplarına sahip olan şeker, alkol, amino asitler ve benzer bileşikler hidrojen bağı sayesinde su molekülleri arasında tutulurlar. Diğer taraftan polar özellikli su molekülleri elektriksel yük etkileşimi nedeniyle, çeşitli tuzların suda çözünmüş halde kalmalarına yol açarlar. Şekillerde (Şekil 2.1 ve 2.2) görüldüğü gibi negatif yüklü iyona pozitif yüklü yönü ile, pozitif yüklü iyona da negatif yönleriyle bağlanan su molekülleri söz konusu iyonların birbiriyle birleşmesine engel olmakta ve böylece suyun yüksek çözücü özelliği ortaya çıkmaktadır.



Şekil 2.1. a) Bir su molekülünün polaritesi b) Sıvı suda su molekülleri arası hidrojen bağları (Starr ve Taggart’dan)



Şekil 2.2. Suyun anyon ve katyonlarla etkileşimi (Starr ve Taggart’dan) Su Bazı Dalga Boyundaki Işınları Absorbe Edebilme Yeteneğindedir Su görünür ışınları absorbe ederek, mavimsi mikron dalga boyundaki bilinmektedir. Ayrıca su



absorbe etmemekle birlikte, kırmızı ışınları kısmen bir görünüm kazanır. Hidrojen bağının yaklaşık 3 kırmızı ötesi ışınları etkin şekilde absorbe ettiği molekülleri tarafından uzun dalga boylu (10-30



20



mikron) termal ışınlar da güçlü bir şekilde absorbe edilmektedir. Bu durum atmosferdeki su buharı ya da bitkilerde bulunan su tarafından ışığın ısı enerjisinin absorbsiyonunda büyük bir öneme sahiptir. Suyun görünür ışığı geçirmesi, su içerisinde yaşayan bitkilerin yaşayabilmeleri için çok önemlidir. Eğer görünen ışık su tarafından yansıtılsaydı, fotosentezde enerji kaynağı olarak ışığın kullanımı büyük oranda azalacak ve fotosentez sadece yüzeydeki tabakalarda gerçekleşecekti.



SUYUN TAŞINIMINI İLE İLGİLİ TEMEL OLAYLAR Suyun hareketinde difüzyon, kitle akımı ve osmoz olayları rol oynar. Bu hareket, ortamın tipine (hücre çeperi, sitoplazma, lipid tabakası gibi) göre değişir.



DİFÜZYON Su molekülleri, gaz molekülleri veya bir çözeltide çözünen madde molekülleri sürekli hareket halinde olup, bulundukları yerin her tarafına homojen biçimde dağılma eğilimindedirler. Bu durum maddelerin taşıdığı kinetik enerjiden kaynaklanır. Moleküller daha yüksek konsantrasyona sahip oldukları bölgeden daha düşük konsantrasyona sahip oldukları bölgeye doğru hareket ederler. Bu olay difüzyon olarak adlandırılır (Şekil 2.3).



Şekil 2.3. Difüzyon olayı (boyanın su içerisinde yayılması)



Moleküllerin Farklı Difüzyon Şekilleri Vardır Başlıca difüzyon şekilleri olarak; gazların gaz veya sıvı içerisindeki difüzyonu; sıvıların, sıvı veya gaz içerisindeki difüzyonu ve katiların sıvı içerisindeki difüzyonu sayılabilir.



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



21



Yukarıda belirtilen difüzyon şekillerinin en önemlilerinden birisi gazların difiizyonudur. Normal sıcaklık ve basınç altında gaz molekülleri kolaylıkla difüze olurlar. Örneğin bir parfüm şişesinin kapağını açtığımızda, esans molekülleri, sıvı yüzeyden buharlaşarak hava molekülleri arasına karışır ve odada parfüm kokusu hissedilir. Başlangıçta şişenin içerisindeki esans moleküllerinin derişimi, dışarıdaki esans moleküllerinin derişiminden çok yüksek olduğu için, esans moleküllerinin birim zamanda havaya geçişi, yani difüzyonu çok hızlı olur. Şişenin içindeki esans moleküllerinin derişimi, şişenin dışındaki havada bulunan esans moleküllerinin derişimine eşit olduğu zaman, şişenin dışına çıkan ve şişeye giren esans moleküllerinin birim zaman içindeki miktarları birbirine eşit olacaktır. İşte bu durumda söz konusu ortamda hava ve esans molekülleri arasında dinamik denge oluşmuştur. Dinamik dengenin oluşmasından sonra, bazı esans moleküllerinin şişenin dışına ve içine hareketleri devam etmekle birlikte, arada bir potansiyel farkı olmadığından bu olay artık bir difüzyon olarak tanımlanamaz. Diğer çok rastlanan difüzyon şekillerinden birisi de katiların sıvı içerisindeki difüzyonudur. Örneğin su dolu bir kap içerisine bir kalıp çay şekeri attığımızda, başlangıçta katı durumdaki şeker molekülleri su içerisinde dağılmaya başlar. Zaman ilerledikçe şeker molekülleri fazla olduğu yerden az olduğu yere doğru difüzyonla yayılır. Bu difüzyon, kap içindeki su ortamında, şeker molekülleri sayısı her tarafta eşit oluncaya kadar devam eder. Şeker molekülleri her tarafta eşit olunca, difüzyon durur. Difüzyon Bitki İçin Önemli Bir Olaydır Bir bitkiye ortamda bulunan maddelerin girişinde difüzyon olayı önemli rol oynar. Ortamdaki maddeler bitkiye bir ölçüde toprak üstü organları ve bir ölçüde de kökleri aracılığıyla girmektedir. Örneğin atmosferde bulunan CO2 ve O2 gazları, temelde stomalardan ve difüzyon ile bitkiye girerler. Toprakta bulunan su ve suda çözünmüş tuzların katyon ve anyonları da, ileride değineceğimiz karmaşık mekanizmalardan ayrı olarak, kök aracılığıyla kısmen difüzyonla bitkiye girmektedir. Yine bitkiler tarafından çeşitli maddelerin ortama verilmesinde de difüzyon olayı rol oynar. Örneğin bitkilerden oksijen, CO2 gazları ile diğer uçucu ve koku verici gazlar da difüzyon ile havaya verilir. Aynı şekilde bu yolla fazla miktarda su, gaz halinde bitkilerin yaprak ve toprak üstü organlarından atmosfere verilmektedir. Bitki köklerinden de aynı yolla CO2 ve öteki bileşikler toprağa verilmektedir.



22



Şu halde bitkilerde gerçekleşen fizyolojik olayların hemen hemen tümünde, doğrudan ve dolaylı şekilde difüzyonun rolü bulunmaktadır. Difüzyon Hızım Etkileyen Değişik Faktörler Vardır Difüzyon hızını etkileyen en önemli faktörlerden birisi difüzyon olayının gerçekleşeceği ortamlar arasındaki konsantrasyon farklılığıdır (gradiyenti). Yine molekül veya iyonların çap büyüklükleri de difüzyon hızını etkiler. Örneğin küçük molekül veya iyonların difüzyon hızları, büyüklere göre daha fazladır. Küçük çaplı oldukları halde hidrasyon ile yapılarına su alıp, çaplarını artıran iyonların difüzyon hızları azalır. Yukarıdaki faktörlere ilave olarak sıcaklık ve basınç da maddelerin difüzyon hızlarını etkiler. Çünkü sıcaklık, difüzyona uğrayan moleküllerinin kinetik enerjilerini artırır. Kinetik enerjileri artan moleküllerin hareket yetenekleri artar ve bu nedenle de bir yerden diğer bir yere daha hızlı yayılırlar. Aynı zamanda bir taraftan tatbik edilen basınç, maddelerin difüzyon hızını artırır. Örneğin su, kabın basınç uygulanan tarafından basınç uygulanmayan tarafına doğru hızlı bir difüzyona uğrar. KİTLE AKIMI Kitle akımı bir basınç gradiyenti sonucu moleküllerin gruplar halinde hareketini ifade eder. Bunun için kitle akımı ancak dışarıdan yerçekimi, basınç gibi kuvvetler uygulandığında meydana gelir. Kitle akımı yardımıyla suyun hareketi günlük hayatta her gün karşılaştığımız bir olaydır. Örneğin nehrin akışı, bir bahçe hortumu boyunca suyun akışı ve yağmurun yağışı yerçekimi tarafından oluşturulan hidrostatik basınca cevap olarak meydana gelir. Yüksekteki belediye su deposunda, bir su sütunu meydana getiren yerçekimi etkisiyle oluşan basınçtan dolayı ev ve işyerindeki musluklardan su kolaylıkla akar. Bir boru boyunca meydana gelen kütle akımı akış oranı, borunun yarıçapına, sıvının viskozitesine ve basınç gradiyentinin büyüklüğüne bağlıdır. Kök hücrelerine suyun hareketi veya ksilem bulunduran iletim hücrelerinde olduğu gibi kütle akımı bitkilerdeki uzun mesafeli suyun taşımmına (translokasyon) neden olur.



BÖLÜM 2 S V VE HÜCRE



23



OSMOZ Suyun, bir membrandan hareketini ifade eden bir terimdir. Bilindiği gibi hücrelerde membranlar, hücrenin farklı kısımlarını birbirinden ayırırlar ve madde geçişine önemli derecede engel olurlar. Bitki hücrelerinin membranları seçici geçirgendir. Yani karbondioksit gibi küçük yüksüz maddelerin ve suyun hareketine izin verirken, daha büyük ve özellikle yüklü maddelerin geçişini kısıtlarlar. Hücre zarından bazı maddelerin geçişi bu şekilde engellenir. Böyle maddelerin hücre zarından geçmesi için özel taşıyıcı proteinler gerekir. Membran transportunun bu yönü daha sonra Bölüm 5’ de incelenecektir. Burada membranlardan transport proteinlerinin yardımı olmadan gerçekleşen su hareketi (osmoz) üzerinde yoğunlaşacağız. Fakat bazı proteinler hem iyonların hem de suyun membran üzerinden hareketine izin veren membran kanallarını oluşturur. Osmoz olayını göstermek için, seçici geçirgen bir membranla ayrılmış bir beher veya bir kap farzedelim. Eğer bu membranın bir tarafına saf su, diğer tarafına şeker çözeltisi konulursa saf sudan şeker çözeltisine doğru su difuzyonla geçecektir (Şekil 2.4). S eçici g eçirgen zar



(a)



(b)



Şekil 2.4 Osmoz olayının şematik ifadesi. Başlangıçta (a), bir süre sonra (b) meydana gelen olaylar gösterilmiştir. Difüzyon, kitle akımı ve osmoz olayları bir itici güç sonucunda kendiliğinden meydana gelirler. Difuzyonla taşınım bir konsantrasyon gradiyenti, kitle akımıyla taşınım ise bir basınç gradiyenti ile meydana gelir. Osmoz olayında her iki gradiyent de taşınımı etkiler. Suyun bir membrandan taşınım oranı ve yönü yalnızca bir konsantrasyon veya basınç gradiyenti ile değil, her iki gradiyentin aynı andaki etkisiyle de sağlanır. Bunun sonucunda iki itici güç birleşmiş olur ve bu güçler toplam itici güç kavramı ile ifade edilir. Bu itici güç, bir kimyasal potansiyel gradiyenti veya bitki fizyologları tarafından daha yaygın olarak kullanılan su potansiyeli olarak adlandırılır.



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



25



Su Potansiyeline Çözünmüş Maddelerin Etkisi Suyun konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa su potansiyeli o kadar fazla olur. Basit denemeler çözünmüş maddelerin su potansiyeline etki ettiğini göstermiştir; yani bu maddeler suyun bir noktadan diğer bir noktaya hareketini etkiler. Çözünmüş maddelerin su potansiyeli üzerindeki etkisi yaklaşık olarak mRT formülü ile hesaplanabilir. Burada R gaz sabiti, T mutlak sıcaklık ve m ise molaliteyi gösterir. Eksi işaret ise çözünmüş maddelerin su konsantrasyonunu azaltarak çözeltinin su potansiyelini düşürdüğünü gösterir. -mRT formülü basınç birimi ile ifade edilip, çözünmüş maddelerin ve hidrostatik basıncın su potansiyeli üzerindeki etkileri hakkında bizlere bilgi verir. -mRT, bir çözeltinin osmotik potansiyelinin hesaplanmasında kullanılır. Çözünen maddelerin bu etkisinden dolayı osmotik potansiyel bazen çözünen madde potansiyeli (solute potansiyeli) olarak da adlandırılır. Su yüksek potansiyelden (saf su için sıfır) daha düşük potansiyele doğru difuze olduğundan bir çözeltinin osmotik potansiyeli daima negatiftir. Osmotik potansiyel, osmozla difüze eden suyun, hücre içinde neden olduğu gerçek basıncın bir ölçüsüdür (Şekil 2.5). Ağırlık* osmotik potansiyel



Şekil 2.5. Osmotik potansiyelin ölçülmesinde bir osmometre düzeneği (BidwelPden) Su Potansiyeline Basıncın Etkisi Şekil 2.6’da gösterildiği gibi bir piston kullanılıp, sol taraftaki çözeltiye yeterli derecede basınç uygulanarak, sağdan sola doğru olan suyun osmotik hareketi engellenebilir. Bu yüzden basınç su potansiyelini artırır. Sağdan sola suyun hareketini engellemek için gerekli olan basınç miktarı, çözünen maddenin



26



sol taraftaki su potansiyelini düşüren çözünen madde miktarının ölçülmesiyle hesaplanır. Bu şekilde, su potansiyeline basıncın etkisine basınç potansiyeli (hidrostatik basınç) denir. Diğer taraftan plazmoiize olmuş (büzülmüş) bir hücre, saf su ortamına konulursa, hücre şişinceye (turgor durumu) kadar su osmozla içeriye girer. Hücrenin protoplastı hücre çeperine bir basınç uygular. İşte bu olay sonucunda protoplast tarafından hücre çeperine yapılan bu basınç, basınç potansiyeli (Tp) (turgor basıncı) olarak adlandırılır. Hücrenin basınç potansiyeli artıkça osmozla hücre içerisine giren su da artmış olur. Hücre maksimum turgor seviyesine erişince basınç potansiyeli de en yüksek değerine ulaşır. Bu durumda net su alınımı sıfırdır. Yerçekimi Suyun Aşağıya Doğru Akmasına Neden Olur Yerçekimine ters yönde ve eşit bir kuvvet olmadıkça, su aşağıya doğru hareket eder. Yerçekiminin su potansiyeline olan etkisi yüksekliğe, suyun yoğunluğuna ve yerçekiminden kaynaklanan hızlanmaya bağlıdır.



SU POTANSİYELİNİN BİLEŞENLERİ Su potansiyeli, osmotik potansiyel (osmotik basınç) ve basınç potansiyeli (hidrostatik basınç) olmak üzere iki bileşenden meydana gelir. Osmotik basınç, osmotik potansiyelle aynı formülle (mRT) hesaplanır, yalnız osmotik basıncın işareti pozitiftir. Osmotik basınç özellikle seyreltik çözeltilerdeki çözünen maddelerin konsantrasyonuna bağlı olarak değişir. İzole edilmiş bir çözelti ise bir osmotik basınca sahip olamaz, ancak bir osmometreye konulduğunda (bak Şekil 2.5) basıncı ifade etmek için ‘potansiyel’ ifadesi kullanılır. Bu nedenle bu tip çözeltiler için osmotik potansiyel ifadesini kullanmak daha doğrudur. Basınç potansiyeli ise hidrostatik basınç ile özdeş olup, yüksek çevresel atmosferik basınç altındaki hidrostatik basıncı ifade eder. Su potansiyeli aşağıdaki eşitlikle gösterilir: Su p o ta n siy e li ( F ) = osm otik p o ta n siy e l p o ta n siy eli



+ basın ç p o ta n siy e li ( F p ) + m atrik



(F m )



Su potansiyelinin osmotik potansiyel ve basınç potansiyelinden başka matrik potansiyeli olarak adlandırılan üçüncü bir bileşeni vardır. Matrik potansiyeli, suyun katı yüzeylerce tutulmasıyla (adsorbsiyon) oluşur. Matrik potansiyeli toprakta tutulan suyun kuru tohumlar tarafından ilk alınım



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



27



aşamasında (imbibisyon) çok önemlidir. Hücre içerisinde de matrik potansiyeli mevcut olup, çözünen bileşenlerle karşılaştırıldığında su potansiyeline etkisi çok azdır. Bu nedenle hücre içerisindeki su potansiyeli hesaplamalarında genellikle ihmal edilir. Saf su ile dolu ağzı açık bir kap içerisinde, su havayla direkt temasta olduğu için suyun hidrostatik basıncı atmosferik basınçla aynıdır ve basınç potansiyeli sıfırdır (^p=0). Aynı zamanda suda çözünmüş madde olmadığı için osmotik potansiyel de sıfır ( 'F s ^ ) olur. Yukarıdaki eşitliğe göre su potansiyeli sıfıra eşit olur (¥=0). Su Potansiyeli İfadesi Kullanılarak Osmoz Olayının İzahı Şekil 2.6' da gösterildiği gibi, bir membran ile ayrılmış iki bölmeli bir oda ve bu iki bölmenin su ile aynı düzeyde doldurulduğunu düşünelim. Soldaki su potansiyeli sağdaki su potansiyeline eşit olduğu için suyun net hareketi sıfırdır. Suda çözünen maddelerin sol tarafa eklendiğini düşünelim. Sol bölmede, çözünen olarak şeker, çözücü olarak su içeren bir çözelti bulunmaktadır. Sol tarafta madde çözünmesinden dolayı osmotik potansiyel azalır. Bu şartlar altında suyun net hareketi sağ taraftaki bölmeden sol taraftaki bölmeye doğru meydana gelir. Hücreye Göre Çözeltiler Gruplandırılabilir Eğer hücre, osmotik potansiyeli Q¥s) çok yüksek olan yani sıfıra yaklaşan seyreltik bir çözeltiye veya saf suya konursa, suyun hücre içine difüzyonuyla hücre şişerek turgor durumuna gelir. Çözünen madde moleküllerinin konsantrasyonu hücre özsuyununkinden daha düşük olan dış çözeltiye, diğer bir ifade ile osmotik potansiyeli hücre özsuyununkinden daha yüksek olan çözeltiye hipotonik çözelti denir. Eğer hücre, konulduğu çözelti ile su alış verişinde bulunmuyorsa yani osmotik potansiyeli hücre özsuyuna eşitse bu çözeltiye izotonik çözelti adı verilir. Hücre konulduğu çözeltiye su veriyorsa, başka bir ifade ile konulduğu çözeltinin osmotik potansiyeli hücre özsuyununkinden daha düşükse bu çözeltiye de hipertonik çözelti denir. Bu tip bir çözeltiye konulan hücrenin, çeperi nispeten sert olduğundan çeperden ayrılıp, büzülür yani plazmolize uğrar. Eğer hücre yeniden hipotonik bir çözeltiye konulursa, osmoz olayı ile kaybettiği suyu alır ve turgor haline döner. Hücrenin bu eski haline dönüş olayına deplazmoliz adı verilir.



28



Şekil 2.6. Osmotik su hareketi, a) Suya geçirgen, çözünen maddelere geçirgen olmayan bir zarla bölünmüş bir kap; Her iki tarafta su potansiyeli birbirine eşit, böylece suyun net hareketi sıfırdır, b) Bir bölüme çözünen madde ilave edilir, c) Madde ilavesi su potansiyelini düşürdüğünden dolayı su bu kısma osmozla taşınır, d) Suyun bu hareketi basınç uygulanması ile engellenebilir. Bu basınç, çözünen maddenin düşürdüğü aynı ölçüde, su potansiyelini artırır ve böylece osmotik su hareketi engellenerek su potansiyeli her iki bölümde eşit olur. Turgor, Plazmoliz ve Solgunluk Su Taşımını Sonucu Oluşur Bitki hücresi esnek olmayan bir hücre çeperi ile çevrilmiştir ve bu çeper, genişlemeye karşı koyar. Hücre çeperini sitoplazmadan plazma membranı ayınr ve bu membran seçici geçirgen özellikte olup, suyu geçirirken bazı çözünmüş maddeleri geçirmez. Şekil 2.7'de gösterildiği gibi su osmotik mekanizma ile hücreye girer. Su hücreye girdiğinde hücre içerisinde, çeperi dışa doğru sıkıştıran bir güçle birlikte turgor meydana gelir. Bu noktada hücre içerisindeki su potansiyeli onu çevreleyen ortam ile aynıdır. Osmotik su hareketiyle meydana gelen turgor, yaprak gibi sert olmayan bitki kısımlarının büyüklüğü ve biçimini korumada önemlidir.



Şekil 2.7. Plazmoliz (a) ve turgor (b) durumları Eğer bir bitki hücresi, hücreden daha yüksek konsantrasyonda çözünmüş madde içeren bir çözeltiye konulursa (hücre dışındaki su potansiyeli, hücre



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



29



içerisindekinden daha düşüktür) suyun net hareketi hücreden dışarıya doğru olur. Suyun bu kaybı, turgoru azaltmaya neden olur. Eğer hücrenin osmotik su kaybı, yeterli dereceden fazla ise, turgor sıfıra düşer ve hücre çeperinden protoplastın çekilmesine neden olur (Şekil 2.8). Protoplast ve hücre çeperi arasındaki boşluk dıştaki çözelti ile doldurulur. Bu gerçekleştiğinde hücre plazmoliz olmuş denilir. Plazmoliz geri dönüşümlü bir olaydır, yani suya bırakılan plazmoliz olmuş bir hücre, osmotik olarak yeniden su alır ve normal şişkin haline geri döner. Solgunluk ise bitkiler kuru havaya ya da kuru toprağa maruz bırakıldığında gerçekleşir ve aşırı su kaybı meydana gelir. Sonuç olarak, turgor sıfıra doğru azalır. Dıştan bakılınca benzer görülmelerine rağmen, plazmoliz ve solgunluk (solma) olayları aynı değildir. Solma olayı sonucu meydana gelen su kaybı, hücrelerin küçülmesine (çekilmesine) neden olur, fakat burada plazmolizin tersine hücre çeperi protoplastla birlikte büzüşür. Çünkü protoplast ve hücre çeperi arasına girecek dış ortam yoktur (Şekil 2.8). Plazmolizden farklı olarak gerçekleşen bu olay sonucu, yapraklar solgun (pörsümüş) bir görünüm kazanır. — Hücre çeperi



1



— Hücre zan



[yOrC ::-r; (a)



•;



Çözünen madde ~~ ihtiva eden protoplast



ı'K ■:• T • . -A - S u I



'



^



*



•;



igTurgorM ---- ~



Ca



'W



'-:;



(0 )



■ Kuru hava



Şekil 2.8. Bir yaprak parankima hücresinde plazmoliz ve solma olayları a) Plazma zarı suyu geçirir, fakat suda çözünen maddelerin geçişini kısıtlar, hücre çeperi ise her ikisinin geçişine izin verir b) Hücre suya konulduğunda hücre içerisinde bir turgor basıncı meydana gelir c) Hücre konsantre bir çözeltiye konulduğunda, hücre osmotik olarak su kaybeder ve protoplast ile hücre çeperi arasındaki boşluğu dış çözelti doldurur d) Kuru havalarda aşırı buharlaşma protoplast ve hücre çeperinin çökmesine neden olur. Bu durumdaki hücreleri ihtiva eden dokular solar (Kaufman’dan)



30



Suyun Hücre ile Çözelti Arasındaki Hareketi Osmozla Gerçekleşir Bir bitki hücresinin bir çözeltiden su alabilmesi için hücrenin su potansiyelinin, çözeltinin su potansiyelinden daima düşük olması gerekir. Denge durumunda ise hücrenin su potansiyeli, çözeltinin su potansiyeline eşittir. Daha önce belirtildiği gibi atmosfer basıncında bir çözeltinin su potansiyeli, o çözeltinin osmotik potansiyeline eşittir. Çünkü atmosfer basıncında basınç potansiyeli sıfırdır. 'Pçözelti = 'f's çözelti Denge durumunda yani hücre ile çözelti arasında su alış verişi olmadığı zaman: VF hücre= 'P çözelti veya T iç = T dış olur. Suyun Hücreler Arasındaki Hareketi Osmozla Gerçekleşir Yukarıda belirtildiği gibi hücre ve hücreyi kuşatan çözelti arasındaki su potansiyeli farkından dolayı su hücre içine veya dışına hareket eder. Benzer şekilde su, hücreden hücreye bu iki hücre arasındaki su potansiyeli gradiyenti istikametinde difüzyon etmek suretiyle taşınabilir. Buna göre suyun hareket yönü ve hareketini sağlayan kuvvet her hücredeki su potansiyeline, dolayısıyla hücreler arasındaki su potansiyel farkına bağlıdır. Bu durum şöyle bir örnekle açıklanabilir: A hücresi; 0,5 MPa'lık basınç potansiyeline ve -0,6 MPa'lık osmotik potansiyele, B hücresi; 0,3 MPa'lik basınç potansiyeline ve -0,6 MPa’lık osmotik potansiyele, C hücresi; 0,2 MPa'lik basınç potansiyeline ve 0,7 MPa’lık osmotik potansiyele sahip olsun. Eğer bu hücreler doğrudan temas halinde ise su, hangi yönde ve ne kadar kuvvetle hareket edecektir? Bunun için her hücrenin ayrı ayrı su potansiyellerini hesaplayalım: T A = 'P sA + 'P pA



-0,6 + 0,5 = -0,1 MPa (-1 atmosfer)



'P B = ¥ sB + ¥ pB



-0,6 + 0,3 = -0,3 MPa (-3 atmosfer)



'P C = 'P sC + ¥ pC -0,7 + 0,2 = -0,5 MPa (-5 atmosfer) Bunlara göre: *PA - 'P B = -0,1 -(-0,3) = +0,2 MPa’lık bir kuvvetle su A’dan B’ye TB - f C = -0,3 -(-0,5) = +0,2 MPa’lık bir kuvvetle B’den C ’ye doğru hareket eder (Şekil 2.9).



BÖLÜM 2



SU



31



>



Şekil 2.9. Hücreler arasında suyun hareketi Su Potansiyeli, Bitkinin Su Durumunu Değerlendirmek İçin Kullanılabilir Su potansiyeli kavramının bitkilerde iki önemli kullanımı vardır. Birincisi, su potansiyelinin bilinmesi ile topraktan bitkiye ve bitki içerisindeki su hareketleri belirlenebilir. Bu konuda gerekli açıklamalar daha önce yapıldı. İkincisi, bitkideki genel su durumu hakkında bilgi elde edilebilmesidir. Su eksikliği bitki büyümesi ve fotosentez başta olmak üzere birçok olayı (protein sentezi, hücre bölünmesi ve stomaların açılıp-kapanması vb) etkiler. İyi sulanmış bir bitkinin yaprakları -0,2 ile -0,6 MPa arasında değişen su potansiyeli değerlerine sahiptir. Kuraklık koşullarında yaprakların su potansiyeli değerleri -2 ile -5 MPa arasında değişebilir. Su potansiyeli gibi, osmotik potansiyel değerleri de bitkinin tipine ve büyüme ortamına bağlı olarak değişebilir. İyi sulanmış marul, salatalık fıdeleri ve fasulye yaprakları -0,5 MPa kadar yüksek osmotik potansiyel değerine sahip olabilir. Bunun yanında şeker pancarı kökleri, şeker kamışı gövdesi ve üzüm meyvası gibi sakkaroz ve diğer şekerleri yüksek oranda bulunduran bitki dokularında osmotik potansiyel değerleri çok düşük olup, -2,5 MPa’a kadar azalabilirler. Tuzlu ortamlarda yaşayan halofıtler de yüksek oranda çözünmüş madde ihtiva ederler ve osmotik potansiyelleri çok düşüktür. Bu mekanizma ile tuzlu toprak ortamından su alabilme yeteneğindedirler. İyi sulanmış bahçe bitkilerinin hücrelerinde hidrostatik basınç (basınç potansiyeli), hücredeki osmotik potansiyel değerine bağlı olarak 0,1 ile 1 MPa arasında değişebilir. Bitki hücrelerindeki pozitif hidrostatik basıncın iki önemli rolü vardır. Birincisi, bitki hücrelerinin büyümesi için, hücre çeperlerinin gerilmesi gerekir ve bunun için hidrostatik basınca ihtiyaç duyulur. Bitki su kaybettikçe hidrostatik basınç hızlı bir şekilde düşer. İkincisi hidrostatik basınç hücrelerin ve dokuların mekaniksel sağlamlığını artırır. Özellikle genç odunlaşamamış dokularda turgor basıncının yüksek olması, onların dik



32



durmasında önemli rol oynar. Hidrostatik basıncın sıfıra doğru azalması durumunda daha önce bahsedilen solma olayı meydana gelir.



OKUMA PARÇASI 2.1. SU POTANSİYELİ VE BİLEŞENLERİNİ ÖLÇME METODLARI Su potansiyeli ve bileşenleri, bitkilerde hücre büyümesi, fotosentez ve ürün verimliliği gibi çeşitli olayları etkilerler. İnsanlar için vücut sıcaklığı önemli bir enfeksiyon delili ise, su potansiyeli de bitkinin sağlığı açısından çok önemlidir. Bu nedenle araştırıcılar bitki dokulannın su durumunu ölçmek için güvenilir metodlar geliştirmek için büyük gayretler göstermişlerdir.



SU POTANSÎYELÎNÎ ÖLÇME METODLARI Doku Ağırlığı Değişimi Metodu Osmotik potansiyeli tayin edebileceğimiz basit metodlardan birisi



hücre ile



izotonik olan çözeltiyi bulma esasına dayanan metoddur. Bunun için osmotik potansiyeli bilinen bir seri çözeltiler hazırlanarak, osmotik potansiyeli ölçülmek istenen doku ile muamele edilir. Muamele sonucu, doku veya hücre ile seri çözeltiler arasında su alış-verişi olmayan çözelti belirlenir. Dokuların su potansiyeli konuldukları çözeltiden daha fazla ise dokular su kaybederek, ağırlıkları azalacaktır. Dokuların su potansiyeli konuldukları çözeltiden az ise dokulara su girişi olacak ve dolayısıyla ağırlıkları artacaktır. Bu ağırlık artış ve azalışları y eksenine, osmotik potansiyel değerleri x eksenine konularak çizilecek bir grafik üzerinde, doğrunun x eksenini kestiği noktadaki osmotik potansiyel, dokunun osmotik potansiyeline eşit olur. Çeşitli çözeltilerin osmotik potansiyellerini hesaplamak aşağıda verilen van’t Hoff eşitliği ile mümkündür. Aynca osmotik potansiyelleri bilinen çözeltilerin de ne kadar madde ihtiva ettikleri hesaplanabilir. Bir çözeltinin osmotik potansiyelini hesaplamak için, çözeltilerin molal olarak hazırlanması gerekir. Çünkü çözünen madde konsantrasyonu artıkça ve çözücü konsantrasyonu düştükçe molalite osmotik potansiyel ile orantılı olarak değişir. Fakat molarite seyreltik çözeltiler için kullanıldığından, çözünen madde konsantrasyonu artıkça ve çözücü konsantrasyonu düştükçe osmotik potansiyel molarite ile orantılı olamaz. Osmotik potansiyelin formülü: *Fs = - m R T i



şeklinde gösterilir. Burada m, çözeltinin molalitesi; R , gaz sabiti



(0,00831 Kg MPa M o l1 ° K l); T, mutlak sıcaklık (°K=273 + °C); i, iyonlaşma sabiti (NaCl için 1,83). Buna göre tamamen iyonlaşma ile iki iyona ayrılan bir madde (örnek



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



33



NaCl), iyonize olmayan bir maddeden iki kat daha fazla osmotik potansiyele sahiptir. Na2 SC>4 gibi üç iyonu olan bir tuz tamamen iyonize olduğunda üç kat osmotik potansiyele sahip olur. Bu konuyla ilgili bir örnek çözecek olursak; Ö rnek: 1000 mİ saf suyun üzerine 45 g sakkaroz (Mol. Ağ. 342 g) ilavesiyle elde edilen



çözeltinin 0 °C deki osmotik potansiyeli nedir? Ç özüm :



342 g sakkaroz/lt



1 mol olursa



45 g



X”



"



eder



X= 45/342= 0,1315 molal ¥ s = -0,1315.0,00831. (273+0) = -0,298 MPa



Psikometrik Yöntem Buharlaşma esnasında sıcaklıktaki değişimi ölçerek, su potansiyelinin tahmini yöntemidir.



Bu yöntemin



esası,



suyun buharlaşmasıyla,



buharlaştığı



yüzeydeki



soğumanın belirlenmesine dayanır. Bu yöntemle hem çözeltilerin (toprağın) hem de canlı dokuların osmotik potansiyelleri ölçülebilir. Psikometre aleti üzerinde osmotik potansiyeli ölçülecek doku parçasının konulduğu bir numune yeri ve sıcaklık sensörü ile ilişkili olan küçük bir su damlası veya osmotik potansiyeli bilinen çözeltiden bir damla konulacak yer bulunmaktadır. Bu kapalı sistemde su damlasından ve bitki dokusundan buharlaşma meydana gelerek kabın içerisindeki buharlaşma artar. Bu olay doygunluğa kadar devam eder. Bu noktada bitki dokusu ile su damlası aynı su potansiyeline sahip olması durumunda damladan bitki dokusuna doğru bir buharlaşma olmaz ve bu durumda sıcaklık sensörü ile ölçülen damlanın sıcaklığı ortamın sıcaklığı ile aynıdır. Bitki dokusu damladan daha düşük su potansiyeline sahipse bu durumda damladan buharlaşma meydana gelir, ortama geçer ve bitki dokusu tarafından alınır. Bu durumda su damlasında buharlaşma olacağından damlanın bulunduğu sensörde sıcaklığın azaldığı görülür. Oysa bitki dokusunun damladan daha yüksek su potansiyeline sahip olması durumunda, bitki dokusundan buharlaşma meydana gelir ve sensörde sıcaklığın arttığı görülür. Sıcaklık sensörüne saf sudan ziyade, osmotik potansiyeli veya su potansiyeli bilinen standart bir çözelti konulabilir. Bu sıcaklık değişimlerinden dokunun su potansiyeli tahmin edilir (Şekil OP 2.1.).



34



Şekil OP 2.1. Psikometri aletinin numune konulan bölümü



OSMOTİK POTANSİYELİ ÖLÇME METODLARI Kriyoskopik Osmometre Metodu Bu metodla çözeltinin osmotik potansiyeli, donma noktası bulunarak hesaplanır. Bilindiği gibi çözeltideki çözünen miktarı arttıkça donma noktası azalır. Osmotik potansiyeli -2,43 MPa (megapaskal= 24,3 atm) olan 1 molal bir çözeltinin donma noktası - 1,86 °C dir. Böylece osmotik potansiyel, -2,43 MPa / 1,86 °C veya -1,3 MPa °C'1 oranına göre değişir. Kriyoskopik osmometre aleti yukarıda anlatıldığı gibi çözeltinin veya dokunun osmotik potansiyelini ölçebilecek şekilde dizayn edilmiştir. Bu aletlerden bir tanesinde numenin konulduğu tablanın sıcaklığı -3 0 °C ye azaltılır ve dokunun donması sağlanır, daha sonra sıcaklık yavaş yavaş yükseltilerek erime süreci mikroskopla izlenir ve son buz kristali eridiğinde tablanın sıcaklığı kaydedilir.



Plazmoliz Başlangıcının Belirlenmesi Metodu Bu metot yukandakine benzer olarak bir seri osmotik potansiyeli bilinen çözelti hazırlanır ve bu çözeltilere konulan hücreler mikroskop altında incelenerek, plazmoliz olmaya başlayan (plazma zannın hücre çeperinden henüz ayrılmaya başlaması) hücreler sayılır. Hücrelerinin % 50’sinin plazmoliz başlangıcında olan çözeltinin osmotik potansiyeli, hücrenin osmotik potansiyeline eşit olduğu kabul edilir.



BASINÇ ÖLÇME METODLARI Basınç Sondası Bitki hücrelerinde turgor basıncını doğrudan ölçen bir düzenektir. Bu düzenekte bir mikroenjektör mevcut olup bir kısmında basınç ölçen bir mikronanometre ve diğer tarafı hücreye girebilecek bir uç bulunur. Bu mikroenjektör hücreye sokulduğunda hücrenin basıncı enjektördeki gazı iterek hacimde değişiklik oluşturur. Bu hacim



35



BÖLÜM 2 SU VE HÜCRE



değişikliği



ile



ilgili



olarak,



ideal



gaz



kanunları



uygulanarak



turgor basıncı



hesaplanabilir.



Basınç Odası Yaprak ve sürgün gibi büyük doku parçalannın su potansiyelini basınç odası ile tahmin etmek hızlı bir metoddur. Basınç odası, bitkilerin ksilemindeki negatif hidrostatik basıncı (gerilimi) ölçer. Bu basıncın, tüm organın ortalama su potansiyeline oldukça yakın olduğu kabul edilir. Bu teknikte ölçülecek organ bitkiden çıkarılır ve bir basınç odasına alınır. Organın kesilmesinden önce, ksilemdeki su sütunu gerilim altında olup, kesilmeden sonra su sütunu koptuğundan ksilem borularında su geri çekilir. Basınç odasına basınç uygulanarak geri çekilen su, kesilmeden önceki pozisyonuna getirilir ve bu uygulanan basınca denge basıncı denir (bak Bölüm 3, Şekil 3.6). Örneğin denge basıncı 0,5 MPa olarak bulunmuşsa, o zaman kesilmeden önce ksilemdeki hidrostatik basınç - 0,5 MPa dır. Çoğu bitkilerdeki ksilemin hidrostatik basıncı -1 veya -2 MPa dır. Buradan hareketle hücrelerin osmotik potansiyelleri -0,1 veya -0,2 MPa olarak tahmin edilebilir. Basınç odası metodu hızlı ve ısı kontrolü gerektirmediği için açık hava koşullarında su potansiyelini tahmin etmede kolaylıkla kullanılabilir.



BÖLÜM 3



BİTKİLERDE SU ALINIMI VE TAŞINIMI Her bitki hayatsal olaylarını sürdürmek için yaşadığı ortamdan su ve suda çözünmüş maddeleri almak zorundadır. Bu canlılığın temel kuralıdır. Bitki yaşadığı sürece ortamdan çok büyük miktarda su alır ve bunun büyük bir bölümünü transpirasyon (terleme) yoluyla ortama verir. Bir hektarlık alandaki mısır bitkileri, bir büyüme sezonunda yaklaşık olarak topraktan 3.000.000 litre su absorblar. Ağaçlar tarafından su absorbsiyonu ise daha yüksektir. Örneğin; A.B.D' nin kuzeyinde bir hektarlık bir orman alanında, günde 30.000 litreden fazla su kaybı olduğu tahmin edilmiştir. 14 m uzunluğundaki tek bir akçaağaç tarafından ılık bir Temmuz gününde topraktan suyun absorbsiyonu saatte 220 litre olarak hesaplanmıştır. Gerçekte bitki tarafından absorbe edilen suyun yaklaşık % 98'i transpirasyon yoluyla havaya verilir. Kalan % 2'si ise bitki hücrelerinin büyümelerinde ve hacimlerini artırmalarında veya metabolik reaksiyonlar yardımıyla daha kompleks molekülleri (fotosentez sonucu şekerler gibi) sentezlemeleri sırasında kullanılır.



TOPRAK SUYU Su, toprak doygun hale gelinceye kadar ya da toprak yüzeyinde su birikintisi oluşuncaya kadar bahçenin bir bölümüne uygulanmış olsun. Toprak yüzeyinde birikmiş olan bu su, yerçekimi kuvvetinin etkisiyle kademeli olarak toprağa girer. Yerçekiminin etkisiyle toprağa giren fazla su gravitasyonal su (yerçekimiyle ilgili) veya serbest su olarak adlandırılır. Bu su, bitki tarafından



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE



S VE TAŞINIMI



37



kullanılabilir fakat normalde oldukça hızlı aktığı için, gerçekte bitki tarafından çok az bir kısmı absorbe edilebilir. Serbest sudan sonra geriye kalan suyun çoğu, toprağın kapillari porlarında bulunur. Bu porlar topraktaki küçük gözeneklerdir ve su bu porlarda kapillari etkisiyle tutulur. Kapillari etki, sıvıların küçük tüplerde ya da diğer küçük yüzeylerde tutunabilme ya da yükselebilme kabiliyetidir. Bu etki, suyun güçlü adhezyon ve kohezyon kuvvetlerinden dolayı meydana gelir. Kapillari etkisiyle toprakta tutulan su, kapillari su olarak adlandırılır. Kapillari su, bitki tarafından kullanılabilir ve bu suyun büyük bir kısmı bitki tarafından absorbe edilebilir. Eğer kapillari su, topraktan uzaklaştırılırsa yalnızca toprak partiküllerine sıkıca bağlı olan su kalır ve bu nem higroskopik su veya bağlı su olarak adlandırılır. Higroskopik su, toprağa sıkıca bağlıdır ve bu su, normal olarak bitki tarafından kullanılamaz. Toprağın Suyu Tutma Gücü Tarla Kapasitesi Olarak Adlandırılır Bir toprağın suyu tutma gücü, onun tarla kapasitesi (fîeld capacity) olarak adlandırılır. Bu kapasite, serbest su uzaklaştırıldıktan sonra toprakta geriye kalan su içeriğine eşittir. Yani, tarla kapasitesi = kapillari su içeriği + bağlı su içeriği'dir. Tarla kapasitesi, kuru toprak ağırlığının yüzdesi başına su içeriği olarak ifade edilir. Örneğin, serbest suyu uzaklaştırıldıktan sonra 120 g ve kurutularak suyu uzaklaştırıldıktan sonra 100 g olan bir toprak örneğinin tarla kapasitesi % 20'dir. 20 g (toprakta tutulan su) /100 g (toprağın kuru ağırlığı) = % 20 Tarla Kapasitesi Toprağın Tipine Göre Değişir Tarla kapasitesi toprak yapısına bağlı olup, toprak tipine göre büyük ölçüde değişir. Toprak yapısı, ilk olarak toprak partiküllerinin boyutuna bağlıdır. Boyutlarına göre toprak partiküllerinin sınıflandırılması Tablo 3.1 'de gösterilmiştir. Büyük partiküller, kil, mil ve kumdur. Bu partikül sınıflarının çeşitli karışımları, toprak yapılarını meydana getirir. Bu toprak yapıları, kum-kil karışımı olan kuvvetli toprak, kumlu-killi toprak, milli-killi-kumlu toprak vs'dir. Tarla kapasitesi, normal olarak yüksek kil içeriğine sahip topraklarda yüksek (örneğin % 30), kumlu topraklarda ise düşüktür (örneğin % 3). Bununla beraber, tarla kapasitesinin, serbest su süzüldükten sonra toprakta tutulan su miktarının bir ölçüsü olduğu unutulmamalıdır. Tarla kapasitesi, bitkiler



38



tarafından toprakta tutulan suyun nasıl kullanılabildiğinin bir ölçüsü değildir. Yüksek kil içeriğine sahip olan topraklardaki su, yüksek kum içeriğine sahip topraklardakinden daha sıkıca tutulur. Böylece, % 5 ağırlığında nem içeren toprağın kumlu ve killi formları karşılaştırıldığı zaman, yüksek kum içeriğine sahip topraktaki suyun kullanılabilirliğinin, yüksek kil içeriğine sahip olan topraktakinden 4 veya 5 kez daha fazla olduğu görülür. Tablo 3.1. Boyutlarına Göre Toprak Partiküllerinin Sınıflandırılması P artik ü l tip i



P a rtik ü l b oyu tu (m m )



Kalın kumlu İnce kumlu Milli Killi



2 ,0 - 0 ,2 0,2 - 0,02 0 ,02 - 0,0 0 2 < 0,002



Tarla Kapasitesi Bitkinin Toprak Suyundan Yararlanma Derecesini Göstermez Bir bitkinin sürekli solma yüzdesi (permanent wilting percentage), özel bir toprak tipindeki suyun kolayca nasıl kullanılabileceğini gösterir. Sürekli solma yüzdesi, bir bitkinin solduğu ve transpirasyonunun sıfıra kadar azaldığı durumlarda, topraktaki su içeriğidir. Eğer bir toprak, suyun kolaylıkla alınabildiği bir tip ise sürekli solma yüzdesi çok düşük (örneğin %1) olur. Eğer bir toprak tipi, suyu sıkıca bağlarsa sürekli solma ancak yüksek toprak suyunda meydana gelir (örneğin %10). Sürekli solma yüzdesindeki bir toprakta bulunan bitkinin solgunluğu, toprağa su verilmezse devam eder. Bitki uzun süre bu koşullar altında kalırsa ölür. Toprağa su eklendiğinde ise, toprağın su içeriği sürekli solma yüzdesinin üzerine çıkar. Bu durum bitkinin suyu kullanılabilirliğini artırır ve bunun neticesinde bitki yeniden turgor durumuna geçer ve solmaktan kurtulur. OKUMA PARÇASI 3.1. SULAMA Yeterli miktarda doğal su kaynaklan olmayan bölgelerde ve kurak periyotlarda, bitkilerin büyümesinin devam etmesi için sulamaya ihtiyaç vardır. Bundan dolayı, özellikle yan kurak bölgelerde, sulama yoluyla ek yağış sağlanır ve bu amaçla genellikle su püskürtme makineleri kullanılır. Bu metotla su aynı tarzda bütün bitkilere uygulanır ve aynı zamanda suda çözünebilen gübreler de sulama suyuna katılarak bitkilere



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE SU ALINIM! VE TAŞINIMI



39



verilebilir. Sıcak ve kurak bölgelerde su püskürtme makinesiyle sulama yapmanın bir dezavantajı,



püskürtme



sırasında



önemli



bir



kısmının



havada



buharlaşarak



kaybolmasıdır. Suyun bitkilere verilmesinin başka bir yolu da, sapanlarla açılan kanalların kullanılmasıdır. Bu metotla su direkt olarak bitki sıralan arasında açılan kanallara bırakılır. Kanallara bırakılan su, yerçekimi ve kapillari etkisiyle toprağa girer ve topraktaki su, bitki kökleri tarafından alınabilir. Bu metot basit olmakla birlikte bitkiler için yeterli olandan çok daha fazla miktarda su kullanılması ve bazı toprak tipleri için bu fazla suyun ters etkilere sahip olabilmesi gibi olumsuzluklan da vardır. Bazı topraklarda fazla su, toprak parti küllerinin birbirlerine sıkıca yapışmasını sağlayarak havalandırmayı azaltabilir. Aynı zamanda bu metotla suyun uygulandığı topraklarda yeterli süzülme sistemlerinin olması da önemlidir. 1960'larda geliştirilen başka bir metod ise, damla damla sulamadır (bazen damlama veya günlük sulama olarak da adlandırılır). Bu metod suyun, verimli bir şekilde bitkilere uygulanmasının en ekonomik şeklidir. Bu metotla su, bitki gruplarının veya tek tek bitkilerin kök zonuna, direkt olarak damla damla bırakılır. Su, az miktarda ve yavaş yavaş uygulandığı zaman, suyun bir kısmı bitki tarafından kullanılır, az bir kısmı buharlaşarak ve diğer kısmı da bitkilerin bulunmadığı alanlara uygulanarak kaybolur. Bu teknik, özellikle suyun toprakta tutulmasının çok zor olduğu, çok kurak bölgelerdeki bitkiler için yararlıdır. Aynı zamanda bu metot, yüksek tuz içeriğine sahip topraklar için de önemlidir. Çünkü bu tip sulama ile kök zonundaki tuzluluk minimuma indirilerek, toprağın süzülmesi sağlanır.



BİTKİLERİN SUYU ALAN YAPILARI Karasal bitkiler genellikle suyu kökleri ile alırlar. Ancak bazı bitkiler (tropikal epifitler ve çöl bitkileri gibi) yağmur suyunu yaprak ve gövde yüzeyleri ile de alabilirler. Her karasal bitki genetiksel özellikleri ve yaşama şartları tarafından belirlenen, gelişmiş bir kök sistemine sahiptir. Köklerin emici tüylerinin, toprakla fazla temas sağlaması ve toprağa göre daha yüksek emme kuvvetine sahip olması, bitkinin su alabilmesi için önemli faktörlerdendir. Eğer bir bitki yapraklardan kaybettiği suyu kökleri ile alamazsa, bitkide su eksikliğinden dolayı solma meydana gelir. Çoğu bitkinin kök sistemi fazlaca dallanmış ve toprağın büyük bir kısmına yayılmıştır. Bu durum bitkiye desteklik ve ayrıca su ile minerallerin



40



alınımı için etkili bir sistem sağlar. Kök sistemi ile toprağın ilişkisi hakkında, 1930'lu yıllarda H J. Dittmer çeşitli çalışmalar yapmıştır. Bu bilim adamı, 4 aylık çavdar bitkisinin kök sistemi üzerinde yaptığı bir dizi dikkatli ölçümler sonucu, köklerin toplam uzunluğunun yaklaşık olarak 625 km ve toplam yüzey alanının 237 m2 olduğunu belirlemiştir. Bitkinin toprak suyunu alan organı olan kökün morfolojisi ve büyüme hızı, bitki türlerine göre değişmektedir. Bu bakımdan kök, bitki türüne ve ortam suyuna bağlı olarak değişik toprak derinliklerine uzanabilir. Kök, su alma işlemini emici tüyleri ile yapar. Bu emici tüyler, ince çeperli, bol plazmalı, iri nukleuslu ve tek hücreli yapılar olup, epidermis hücrelerinin dışarıya uzanmış çıkıntılarıdır. Kökler büyürken ve toprak içerisine doğru ilerlerken, kök tüyü ve uzama bölgesinin arasında bulunan epidermis hücrelerinin uzamasıyla, daima yeni kök tüyleri oluşturulur. Bu arada, kök tüyü bölgesinin dışında kalan kök tüyleri ölür veya parçalanırlar. Dolayısıyla, büyüyen bir kökte, kök tüylerinin işgal ettiği toplam uzunluk yaklaşık olarak aynı kalır. Bir kök tüyünün hayatı normal olarak oldukça kısadır ve sadece birkaç gün ya da en fazla birkaç hafta sürer. Bir çavdar bitkisinde milyarlarca kök tüyü vardır ve günde ortalama olarak 100 milyondan daha fazla, yeni kök tüyünün oluştuğu ve eski kök tüylerinin kaybolduğu hesaplanmıştır. Kök büyüdükçe yenilenen bu yapılar, kökte emme yüzeyinin artmasını sağlar. Köklerin Bütün Kısımları Suyu Aynı M iktarda Alamaz Köklerin gelişim durumlarına, histolojik ve fizyolojik değişkenliklerine göre, köklerde su almımında farklı derecelerde etkin olan bölgeler belirlenmiştir. Bir kökte su alınımı bütün bölgelerde aynı değildir. Örneğin su emiliminin en fazla olduğu bölge emici tüylerin bulunduğu yerdir. Uzama bölgesinde de su girişi kısmen hızlı olmakla birlikte, meristematik bölge ve emici tüylerin üzerindeki bölgede su alınımı yavaştır (Şekil 3.1). Su, kök emici tüyüne veya epidermis hücresine su potansiyel farkının bir sonucu olarak girer. Emici tüy hücre özsuyunun su potansiyeli, toprak çözeltisinin su potansiyelinden az olduğu sürece, emici tüy hücrelerine su alınımı devam eder. Bu açıdan kök hücresinin osmotik potansiyelini azaltacak bir vakuol özsuyu konsantrasyon artışı, kökün su potansiyelini de azaltacak dolayısıyla su alma yeteneği artacaktır.



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE SU ALINI Mİ VE



41



Şekil 3.1. Kökün farklı bölgelerinde su ve suda çözünmüş maddelerin alınma hızının şematik gösterimi (Bidvvell’den)



Toprağın Su Potansiyeli, Osmotik Potansiyel ve Hidrostatik Basıncın Toplamıdır Toprağın su potansiyeli, hücredeki su potansiyeli gibi iki bileşenden oluşur. Birincisi osmotik potansiyel olup, toprağın osmotik potansiyeli genellikle yüksektir (-0,01 MPa civarında). Yüksek oranda tuz ihtiva eden tuzlu topraklarda ise osmotik potansiyel çok düşüktür (-0,2 MPa veya daha düşük). Toprağın su potansiyelinin ikinci bileşeni, büyük ölçüde toprağın su içeriğine bağlı olarak değişen hidrostatik basınçtır. Toprağın hidrostatik basıncı sıfıra eşit veya sıfırdan daha düşüktür. Sulanmış topraklarda hidrostatik basınç sıfıra çok yakındır. Toprakta su miktarı ne kadar azalırsa, başka bir ifade ile toprak ne kadar kuru ise hidrostatik basınç o ölçüde azalır. Örneğin kurak ortamlardaki topraklarda hidrostatik basınç negatif ve -3 MPa’a yakın bir değerdir. Negatif olmasının nedeni; toprak kurudukça toprak partiküllerinin arasındaki serbest suyun kenarlara çekilmesi ve adhezyon kuvvetinden dolayı, suyun toprak partiküllerinin yüzeyine sıkıca tutunmasıdır. Su Toprak İçerisinde Kitle Akımı ile İlerler Topraktaki suyun hareketinde basınç gradiyenti sonucunda oluşan kitle akımı rol oynar. Difuzyonun bu olaydaki rolü ise daha azdır. Bitki topraktan



42



suyu aldıkça kök yüzeyinin etrafındaki su potansiyeli azalır. Su potansiyelinin azalması, kökün etrafındaki suyun hidrostatik basıncını azaltır ve toprağın daha yüksek hidrostatik basınca sahip olan bölgelerine göre bir basınç gradiyenti oluşur.Topraktaki su dolu boşluklar birbirine bağlantılı olduğu için, su bu kanallar boyunca azalan basınç gradiyenti yönünde kök yüzeyine doğru hareket eder. Toprak içerisinde suyun akış hızı, toprağın hidrolik iletkenliğine ve toprakta oluşan basınç gradiyentinin büyüklüğüne bağlıdır. Toprağın hidrolik iletkenliği toprağın tipine göre değişir. Örneğin kumlu toprakların hidrolik iletkenliği, killi topraklara göre çok yüksektir. Toprağın tipinden başka toprağın su içeriği de hidrolik iletkenliği önemli derecede etkiler. Şöyle ki; toprağın su potansiyeli düştükçe hidrolik iletkenlik de azalır. Bu düşüş, topraktan uzaklaşan su moleküllerinin hava ile yer değiştirmesinden kaynaklanır.



Topraktan Su Alimim Pasif ve Aktif Olmak Üzere İki Şekilde Yapılır Pasif su alimim, osmotik kurallara göre kökler tarafından enerji harcanmadan su alınım şeklidir. Kök tüylerinin düşük su potansiyelleri sayesinde osmozla aldıkları su, yine osmotik kurallara göre hücreden hücreye iletilerek kökteki iletim demetlerine ulaşır. Bitkide bu tür su alimim, gövde ve yaprakların transpirasyon etkinliğine bağlıdır. Bu işlevde kök sadece emici bir yüzey görevi yaptığına göre, bu şekildeki su alınımı pasif olarak gerçekleşmektedir. Köklerin ölmesi durumunda bile su alınımının devam etmesi, bu tür su alınımının varlığını desteklemiştir. Bitkiler yaklaşık olarak aldıktan suyun % 95' ini pasif yolla alırlar. Aktif su alınımı, enerji harcanarak suyun bitkiye alınması işlemidir. Bitkilerin aldıkları suyun % 5 kadarını da bu yolla aldıkları belirlenmiştir. Bu yolla su alınımının, osmotik ve osmotik olmayan olmak üzere iki yoldan biri ile yapıldığı düşünülmektedir. Osmotik mekanizma ile aktif su alımmında; kökün dıştan içe doğru yer alan hücrelerine besin tuzlannın aktif olarak alınması ve dereceli bir şekilde hücrelerde depo edilmesi sonucunda oluşturulan osmotik potansiyel gradiyenti rol oynar. Kök dokularında dıştan içe doğru azalan bu osmotik potansiyel gradiyentinin meydana getirilmesi, metabolik enerji harcanması ile sağlanmaktadır.



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE



SVE



43



Osmotik olmayan aktif su almımında ise osmotik gradientlere ters yönde bir su alımmı gerçekleşir. Bunun için doğrudan bir enerji harcanması gereklidir. Bu görüşü benimseyen araştırıcılar, özellikle kök korteks hücrelerinin ksileme bakan yüzeylerinde, permeabilite değişimleri yüzünden aktif bir su salgılanması olduğunu ileri sürerler. Gerçekten de solunumu durduran inhibitörlerin kullanılması durumunda, belirlenmiştir.



bitkide



aktif su



alınımının



da



engellendiği



KÖKE SUYUN GİRİŞİ Emici tüyler tarafından alınan su; apoplastik, simplastik ve transmembran yolları ile kök içerisinden geçerek ksileme kadar iletilir (Şekil 3.2). Apoplastik yol Kökteki komşu hücrelerin çeperlerini takip ederek suyun bir hücreden diğer hücreye aktarılmasını sağlayan yoldur (kaspari şeridi hariç). Komşu hücre çeperindeki aralıklarda hareket eden su, endodermise ulaştığı zaman, orada kaspari şeridi tarafından engellenmektedir. Kaspari şeridi suberinin endodermisteki radyal hücre çeperlerinde oluşturduğu bant şeklinde bir kalınlaşmadır. Böylece su ve suda çözünmüş tuzlar, kaspari şeridinden sonra iletim demetlerine kadar hücrenin sitoplazması yardımıyla taşınmak zorundadır. Burada apoplastik yolla taşman su ve suda çözünmüş tuzların, içerik olarak hücreler tarafından kontrol edildiği sanılmaktadır. Bu şekildeki bir kontrol, tuz alınımım düzenlemekle birlikte, toksik maddeler ve fungal patojenler gibi değişik faktörlerin bitkiye girmesini de engeller. Simplastik yol Bitki köklerindeki komşu hücrelerin protoplastları yardımıyla yapılan su taşınmadır. Burada komşu hücre çeperlerindeki porlardan geçerek iki hücre arasında uzanan plasmodesmalar aracılığıyla komşu hücrelerin sitoplazmaları birbirine bağlanmakta, böylece bir hücreden diğer hücreye kesintisiz su taşmımı sağlanmaktadır. Transmembran yolu Komşu



hücreler



arasında



suyun taşınmasında,



su



bir hücrenin



membranından girer, tonoplasttan geçer ve diğer komşu hücreye yakın bir pozisyondaki hücre membranından çıkar. Burada su hücreye girmeden önce geçici olarak hücre çeperinde bir süre tutulur.



44



Apoplast, simplast ve transmembran yollarının önemi henüz tam olarak bilinmemekle birlikte, emici tüylerden ksileme kadar suyun iletilmesinde apoplastik yolun daha aktif olarak kullanıldığı belirtilmiştir. Bununla beraber her üç yolun değişik kombinasyonlarının su taşımında rol oynadığı da ileri sürülmüştür.



Şekil 3.2. Apoplastik ve simplastik yollar (Taiz ve Zeiger’den)



OKUMA PARÇASI 3.2. SU ALINIM INI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Toprak sıcaklığı: Toprak sıcaklığının azalmasıyla su alınım hızının da düştüğü eskiden beri bilinmektedir. Bu etkinin su viskozitesinin artışı ve protoplazma permeabilitesinin azalması ile ilgili olduğu gösterilmiştir.



Toprak



çözeltisinin



osmotik



potansiyeli:



Bilindiği



gibi



su



alınımının



gerçekleşebilmesi için kök hücrelerinin osmotik potansiyeli, toprak çözeltisininkinden



daha düşük olması gerekir. Bu nedenle çok düşük osmotik potansiyele sahip tuzlu topraklarda glikofitler yaşayamazlar. Bu tip topraklarda yaşayan halofitler ise toprağın osmotik etkisini yenebilecek kadar düşük su potansiyeline sahiptirler.



Toprağın



havalanması: Su alınımı, genellikle iyi havalanmış topraklarda



havalanması kötü olanlara oranla daha fazla gerçekleşir. Çünkü havasız topraklarda



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE SU ALINIM! VE TAŞINIMI



45



oksijen azlığı nedeniyle kökün metabolik faaliyetleri bozulur ve kök büyümesi engellenir. Aynca toprakta CO2 artışı, kök hücrelerinin protoplazmik vizkozitesini artırmak ve permeabiliteyi azaltmak suretiyle su alınımını büyük ölçüde engeller.



Toprak suyu: Toprak suyunun bitki tarafından kullanılabilirliği birçok faktöre bağlıdır. Bu faktörlerin en önemlilerinden biri suyun toprakta tutulma kapasitesidir. Suyun toprakta tutulma kapasitesi, toprak tipine ve toprakta bulunan toplam su miktanna bağlı olarak değişebilir.



Bitkisel Faktörler: Kökün büyüme hızı, gelişme durumu, kök emici tüylerinin sayısı ve kökün anatomik özellikleri su alınımında önemli rol oynayan faktörlerdir. Ayrıca su alınımında köklerin toprakla temas yüzeyinin büyüklüğü de önemli bir husustur. Diğer taraftan terlemeyle su kaybetme hızı, metabolik faaliyetlerinin düzeni gibi fizyolojik özellikler de su alınımına etki eder.



BİTKİ BOYUNCA SUYUN HAREKETİ Bitkilerdeki suyun büyük bir kısmı transpirasyonla kaybedilir ve bitkiler kurumamak için, transpirasyonla kaybettikleri suyun yerine, yeterli miktarda su almak zorundadır. Bitkiler tarafından alman suyun en önemli kaynağı toprak suyudur. Bitki bilimcileri, topraktan köklerin içerisine kadar suyun hareket mekanizmasını ve bitkiler boyunca hareketini detaylı olarak çalıştılar. Özellikle uzun dikey mesafelerde suyun nasıl taşındığını araştırdılar. Örneğin, dünyanın en uzun boylu ağaçlanndan olan Pseudotsuga menziesii (100 m boyunda), Picea sitchensis (95 m boyunda), Kaliforniya'da yetişen bir tür servi (Seguoia sempervirens, 110 m boyunda) ve Avusturalya’da yetişen Eucalyptus (130 m boyunda) ağaçlarındaki su taşmımmı tartıştılar. Bitkinin ekseni boyunca suyun hareket etmesi mucizevi bir olay olarak görülmemelidir. Çünkü suyun, ksilem elementleri boyunca yukarıya doğru taşındığı gösterilmiştir. Eğer bir bitkinin kökleri kesilir ve gövdesi eosin gibi suda çözünebilen boya ihtiva eden suya daldınlırsa, boyalı suyun ksilemden yukarıya doğru taşındığı görülür. Benzer deneyler kesilmemiş bitkilerle de yapılmıştır. Kesilmemiş bitkilerin kök sistemleri renkli su veya radyoaktif olarak işaretli suya daldırılmış ve böylece suyun hareketi kolayca izlenmiştir. Yukarıda belirtilen çok yüksek boylu ağaçların en üst noktasına suyu çıkarmak için atmosferik basınçtan 10 -15 kat daha fazla bir kuvvete (1 - 1,5 MPa) ihtiyaç vardır. Bu kuvvet, 100-150 metrelik su sütununu tutmak için



46



gerekli kuvvete eşittir. Burada yerçekimi ve iletim demetlerindeki bir takım engellemelerin (düzensiz hücre yüzeyleri vs) de göz önüne alınması durumunda, toprak yüzeyinden en uzun boylu ağacın tepesine suyu iletmek için 2 - 3 MPa arasında bir kuvvete ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kuvvetin nasıl oluşturulduğu konusunda bitki fizyologları uzun yıllar çalışmışlar ve bazı teoriler ileri sürmüşlerdir. Bunlardan en önemli 3 tanesi arasında kök basıncı, kapillarite ve kohezyon teorisi sayılabilir.



SU TAŞINIMI İLE İLGİLİ TEORİLER KÖK BASINCI TEORİSİ Kök hücrelerinin ksilem öz suyunda gelişen pozitif bir basınç tarafından, suyun ksilem boyunca yukarıya doğru itilebileceği ileri sürülmüştür. Bu pozitif basınç kök basıncı olarak adlandırılır. Kök basıncının çeşitli bitkilerde meydana geldiği kaydedilmiş ve ilk ölçümler 1727'de yapılmıştır. Kök basıncı etkisiyle suyun gövde boyunca taşmımı osmotik mekanizma ile olur ve bu mekanizma köklerin aktif tuz alınımı ile sağlanır. Mineral iyonlar, topraktan kök ksilemine aktarılırlar ve orada birikirler. Bu durum, bir dereceye kadar ksilemdeki çözünebilir maddelerin konsantrasyonunun topraktakinden daha fazla olmasına sebep olur. Kökün ksilemindeki çözünebilir maddelerin konsantrasyonunun artması su potansiyelini düşürür ve orada pozitif bir basınç meydana gelerek su topraktan kök ksilemine taşınır (Şekil 3.3). Stocking (1956) kök basıncım, köklerdeki metabolik aktivite sonucu ksilemde oluşan itici bir kuvvet olarak tanımlamıştır. İyi sulanmış bir otsu bitki gövdesinin topraktan belli yükseklikteki bir bölgeden kesildiğinde bu bölgeden yaşarma (eksüdasyon) sıvısı denen bir sıvının aktığı bilinmektedir. Bu olay, ksilemdeki sıvının kök basıncı denilen itici bir kuvvetle itilmesi sonucu ortaya çıkar. Kök basıncının diğer önemli bir belirtisi gutasyon olayıdır. Gutasyon, yaprakların kenarları ve uçlarından suyun damlacıklar halinde dışarı atılmasıdır. Su, köklerden bitkinin üst kısımlarına taşınması için zorlandığı zaman kök basıncı artar ve su hidatod açıklıklarından dışarı atılır. Kök Basıncı Teorisi ile Bütün Durumlarda Ksilemdeki Taşınım Açıklanamaz Kök basıncı çok düşük olup, 0,1-0,5 MPa arasında değişir ve bu değerler en uzun ağacın tepesine suyu iletmek için gerekli kuvvetin ancak %16’sını



BÖLÜM



3BİTKİLERDE



S VE TAŞINIMI



47



oluşturur. Kısaca kök basıncı özellikle yüksek ağaçlarda suyu yukarılara çıkarmak için asla yeterli değildir. Özellikle su eksikliğinin büyük olduğu durumlarda veya aktif transpirasyon esnasında (ksilemdeki su hareketi çok hızlıdır) ksilem gerilim, başka bir ifade ile negatif basınç altındadır. Birçok bitkide kök basıncı çok düşük olabilir. Ayrıca genellikle yüksek ağaçlan ihtiva eden Coniferae familyasında kök basıncı hemen hemen yok gibidir. Öte yandan genellikle bitkilerde eksüdasyon hızı, transpirasyon hızından çok daha düşüktür. Bu itirazlar, su taşımmında kök basıncı teorisinin savunulmasını zorlaştırmaktadır. Bundan başka Kramer (1956) soğuk, kuru ve havalanması kötü topraklarda yaşayan bitkilerde kök basıncının tespit edilememesine rağmen, su taşınımının devam ettiğine dikkat çekmiştir.



Şekil 3.3. Kök basıncının gösterilmesi. Gövdesi kesilmiş bir bitkiye uzun bir cam tüp yerleştirildi. Toprak iyice sulandı. Kök basıncının suyu yukarıya doğru ittiği görüldü. Bu şekilde su 14 m veya daha fazla yüksekliğe ulaşabilir



Kapillarite İle Suyun Yukarıya Taşınması Kılcal cam bir pipet, içerisinde su bulunan bir behere konulursa, pipet içerisindeki su beherdeki sudan daha fazla yükselir. Bu olay kapillarite yükselişi veya kapillarite olarak bilinir. Kapillarite ile suyun yükselmesi bazı kuvvetlerin birleşmesi ile oluşur. Bu kuvvetlerden birisi adhezyondur (kılcal borunun cidarı ile su molekülleri arasındaki çekim) diğeri ise yüzey gerilimidir (su molekülleri arasındaki kohezyon kuvveti ve su sütunu üzerindeki yerçekimi kuvveti). Kılcal pipetteki suyun yükselmesi, tamamen pipetin çapı ile orantılıdır. Örneğin 50 mikron çapındaki bir büyük trakeiddeki su yaklaşık



48



olarak 0,6 m yüksekliğe çıkabilir. Çap 200 mikron olan bir trakeidde ise bu yükseklik 0,08 m dir. Boyu 100 m olan bir ağacın tepesine ulaşmak için kılcal boruların (trakeidlerin) yarıçapı yaklaşık 0,15 mikrometre olmalıdır. Bu değer en küçük trakeidin yarıçapından bile çok küçüktür. Bu nedenle ksilem suyunun taşınması için kapillarite genel bir mekanizma olarak yetersizdir.



KOHEZYON-GERİLİM TEORİSİ Bitkilerde suyun yukarıya doğru iletilmesinde en geniş kabul gören teoridir. Bu teoriye göre su, yaprak hücreleri ve kök hücreleri arasındaki su potansiyel gradiyenti boyunca taşınmaktadır (Şekil 3.4). Suyun hareketi ile ilgili bilgiler verilirken, suyun yüksek su potansiyeline sahip olduğu bölgeden, düşük su potansiyeline sahip olduğu bölgeye doğru taşınmaya meyilli olduğu belirtilmişti.



Şekil 3.4. Su potansiyeli gradienti ile bitki boyunca suyun hareketi (Kaufman’dan) Transpirasyon, vasküler dokulardaki su sütunları üzerinde bir çekim kuvveti oluşmasına sebep olur ve bu çekim kuvveti ile su, topraktan köke,



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE



SVE TAŞ1NIMI



49



kökten gövdeye, gövdeden de yapraklara taşınır. Böylece transpirasyonla kaybedilen su topraktan alınmış olur. Su sütunları üzerindeki bu çekim kuvveti, suyun çok yüksek olan kohezyon kuvvetine bağlı olduğu için, bu çekim kuvveti ksilemdeki su sütunları üzerinde bir gerilimin meydana gelmesini sağlar. Bu nedenlerden dolayı bu teori kohezyon-gerilim teorisi olarak adlandırılmıştır. Ksilem Boyunca Suyun Taşmımı Hangi Kuvvetle Sağlanır Ksilem boyunca suyun hareket etmesini sağlayan kuvvet, yapraklardan suyun buharlaşmasıyla ve meydana gelen negatif basınç veya gerilimle sağlanır. Bilindiği gibi su, mezofıl hücrelerinin yüzeylerinde selüloz ve diğer hidrofillik yüzeylere bağlanarak ince bir film halinde tutulur. Bu filmden su buharlaştıkça, komşu hücreler ve selüloz mikrofıbrilleri arasındaki küçük boşluklarda su-hava temas yüzeyi oluşur. Bunun sonucunda çok küçük kavisli yüzeyler veya mikroskobik meniskuslar (tepesi iç bükey veya dış bükey duran sıvı sütunu) meydana gelir. Bu meniskusların çapı azaldıkça, hava-su yüzeyi arasındaki gerilim kademeli olarak negatif bir basınç oluşturur. Bu olay, yüzeye doğru daha fazla suyun çekilmesine neden olur. Su sütunun sürekli olmasından dolayı bu negatif basınç veya gerilim, köklerden yapraktaki mezofıl hücrelerinin yüzeyine doğru suyun çekilmesine neden olur (Şekil 3.5).



Şekil 3.5. Su sütunundaki gerilim (negatif basınç) (Hopkins’den)



50



Kohezyon-Gerilim Teorisi İle İlgili Bazı Noktalar Üzerinde Daha Fazla Durulm uştur Kohezyon gerilim teorisinde iki önemli soruya cevap aranmıştır: 1) hızlı transpirasyona sahip bitkilerin ksilem özsuyu gerçekten gerilim altında mıdır? 2) çok uzun olan su sütunlarının sürekliliği nasıl sağlanır? Ksilem Özsuyu Önemli Ölçüde Gerilim Altındadır Birinci soruyla ilgili olarak ksilem özsuyunun önemli ölçüde gerilim altında olduğu ileri sürülmüştür. Kohezyon-gerilim teorisi, ksilemdeki suyun bir çekme veya gerilme kuvvetine maruz kaldığını gösteren deneylerle ispatlanmaya çalışılmıştır. Bir sürgünün veya toprak seviyesinden yukarıdaki bir gövdenin ksilemi kesildiğinde, ksilemde bulunan suyun büyük bir gerilim altında olması beklenir. Böyle bir denemede su sütununun havayla temas ederek ikiye bölündüğü ve ksilem borularındaki suyun kesilen yüzeyden uzaklaştığı görülmüştür. Bu olayı, gerilmiş bir lastik bandın kesilmesine benzetebiliriz. Gerilmiş lastik bandın ucu kesildiğinde, lastik bandın kesimin yapıldığı noktadan uzaklaştığı görülür. Lastik bandı tekrar eski pozisyonuna getirmek için kesilen uca ne kadar çekim uygulanması gerektiği ölçülerek, lastik bandın kesimden önce ne kadar bir gerilim altında olduğu tespit edilebilir. Kesilen gövdede de su, ksilem içerisine geri çekilir. Burada da lastik banttaki aynı prensip uygulanabilir. Ksilemdeki suyu tekrar orijinal haline getirebilmek için gerekli olan kuvvet ölçülerek, başlangıçtaki gerilim bulunabilir. Bu ölçüm, Scholander basınç pompası adındaki bir aletle yapılabilir (Şekil 3.6). Bunun için kesilmiş sürgün, kesilen yüzeyi dışarıda kalacak şekilde, kalın duvarlı bir basınç ünitesine monte edilir. Ünitedeki basınç, ksilem özsuyunu, tekrar eski pozisyonuna getirinceye kadar artırılır. Bu kuvvet, kesim yapılmadan önce ksilem özsuyunda var olan gerilime eşit farz edilir. Hızlı transpirasyona sahip ılıman bölge ağaçlarında bu yöntemle ölçülen gerilim -0,5 ile -2,5 MPa arasında bulunmuştur. Ksilem özsuyunun gerilim altında olduğunu gösteren diğer bir delil, transpirasyon hızının değiştiği periyotlarda, ağaç gövdelerinin çaplarının hassas bir şekilde ölçülmesiyle elde edilmiştir. Bu amaçla kullanılan hassas alete dendrograf adı verilir. Ağaçlardan kaybedilen su miktarı (transpirasyon) en yüksek olduğu zaman, gerilim en büyüktür. Ksilem özsuyundaki gerilim, ksilem boruları ve trakeidlerin çeperleri üzerinde güçlü bir çekim kuvveti meydana getirdiği için, transpirasyonun hızlı olduğu periyotlarda ksilemde bir büzülme



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE



S



V



E



51



meydana gelmesi beklenir. Dikkatli bir şekilde yapılan ölçümler durumun bahsedildiği gibi olduğunu göstermiştir. Transpirasyonun hızlı olduğu sıcak gündüz saatlerinde ağaçların gövde çaplarının minimum, transpirasyonun düşük olduğu gece saatlerinde ise maksimum olduğu belirlenmiştir.



Şekil 3.6. Ksilem özsuyundaki gerilim miktarının belirlenmesi için Scholander pompasının kullanımı (Kaufman’dan) Su Sütunlarının Sürekliliğinin Sağlanmasında Suyun Gerilim Dayanıklılığı Önemli Rol Oynar Su sütunlarının sürekliliğinin sağlanmasından hangi kuvvetin sorumlu olduğu ikinci sorunun cevabı ile ilgili olarak, su sütununun gerilim dayanıklılığı (mukavemeti) üzerinde durulmaktadır. Gerilim dayanıklılığı, bir maddenin kırılmadan hemen önce sahip olduğu maksimum gerilimin bir ölçüsüdür. Gerilim dayanıklılığı, birim alan başına uygulanan kuvvet olarak ifade edilir. Bir su sütununun gerilim dayanıklılığı, bir çelik veya bakır telin gerilim dayanıklılığının ölçülmesine benzer şekilde ve aynı kolaylıkla yapılamaz. Suyun gerilim dayanıklılığı iletim demetinin çapma, demetin çeper özelliklerine ve suda çözünmüş katı veya gazların özelliğine göre değişir. Çözünmüş gaz ihtiva etmeyen saf suyun gerilimi 20 °C’de -25 ile -30 MPa arasındadır. Bu değer, bakırın gerilim dayanıklılığının yaklaşık %10’udur ve en uzun ağacın tepesine kesintisiz olarak, su sütununu çekmek için ihtiyaç duyulan -2,5 ile - 3 MPa’lık kuvvetten ise 10 kat daha büyüktür. Ksilemdeki gerilim akçaağaç gibi ılıman yaprak döken bitkilerde -0,5 ile -2,5 MPa arasındadır. Fakat bazen -10 MPa kadar da küçük olabilir (Tyree ve Sperr, 1989). Ksilem özsuyu gerilim altında olduğu için sıvı halde kalmak zorundadır.



52



Su moleküllerinin buhar fazında olması su sütunlarının bozulmasına neden olur. Bilindiği gibi ksilem suyu karbondioksit, oksijen ve azot gibi bazı gazları çözünmüş olarak bulundurur. Su sütunu gerilim altında olduğu zaman, bu gazlar çözeltinin dışına çıkma eğilimi gösterir. Trake ve trakeidlerin çeperi ile su arasındaki yüzeylerde submikroskobik kabarcıklar oluşur. Bu küçük kabarcıklar birbirleriyle birleşebilir veya tekrar su içerisinde çözünebilirler. Birleştiklerinde iletim demetini dolduracak şekilde büyüyerek, hızla genişlerler. Ksilemdeki bu hızlı kabarcık oluşum safhası kavitasyon (boşluk) olarak adlandırılır. Meydana gelen büyük gaz kabarcığı iletim demetini tıkar. Bu olay embolism (emboli=tıkaç=baloncuk) olarak isimlendirilir. Kohezyon teorisi ile ilgili olarak embolism oluşumu çok ciddi bir durumdur. Çünkü emboli ihtiva eden bir iletim demeti suyu yeterince iletemez. Kavitasyon Oluşumunun Belirlenmesi, Kohezyon-Gerilim Teorisini Desteklemiştir Ksilemde sık sık kavitasyon oluşumu, başlangıçta kohezyon-gerilim teorisine yapılan en önemli itirazlardan birisi idi. Bu itirazlara cevap verebilmek için ksilemdeki kavitasyon oluşumunun belirlenmesi gerekliydi. 1966'da Milbum ve Johnson bitkilerde kavitasyonu belirlemek için akustik bir metod geliştirdiler. Bu araştırıcılar hassas mikrofon ve amplifikatör kullanarak bitki dokularında ‘klik’ sesini duymayı başardılar. Her bir klik sesi, iletim demetinde bir embolism oluşumunu ifade etmektedir. Bu araştırıcılar su stresi altındaki hintyağı bitkisinin yapraklarında kavitasyon oluşumunu çalıştılar. Su eksikliği sonucunda bitkinin yaprakları sarardıkça, yaprak sapında oluşan kliklerin sayısını 3000 olarak kaydettiler. Kavitasyonun, petiolün kesilmiş ucuna su eklenerek önlenebildiğim gözlediler. Yapraklarda transpirasyonu artıran veya azaltan çeşitli metodlarla, kliklerin sayısında sırasıyla artma veya azalma meydana gelmiştir. Bu sonuçlar ksilemdeki gerilim ile kavitasyon arasında doğru bir ilişkinin olduğunu gösterir ve kohezyon gerilim teorisini destekler. Kısaca bu araştırıcılar kavitasyon olayının, su stresi ile uyarıldığını göstermişlerdir. Sperry ve arkadaşları (1988) akustik metodun yerine daha kullanışlı olan hidrolik iletkenlik (hidrolik konduktans) değişimlerini ölçen bir metod geliştirdiler. En basit tanımı ile hidrolik iletkenlik, dayanıklılığın tersidir. Hidrolik iletkenlik dokuların suyu iletmek için toplam kapasitesini belirler. Akustik metod, kavitasyonun sayısı ve frekansını saymakla ilgili olduğu halde; hidrolik metod, dokuların suyu taşıma kapasitesine embolilerin etkisini



BÖLÜM 3 BİTKİLERDE SU ALİNİM / VE



53



belirlemekle ilgilidir. Yaz sezonunda gövdede emboliler toplanır ve hidrolik iletkenlik %31 oranında azaltılabilir. Kışın gövdedeki iletkenlik kaybı % 60’ a yükselir. Bazı sürgünlerde ise bu iletkenlik %100’lük bir kayba ulaşabilir. Yaz aylarındaki hidrolik iletkenlik otsu bitkilerde olduğu gibi su stresinden kaynaklanır. Kışın embolilerdeki artış ise donma-erime devirlerinden kaynaklanır. Bilindiği gibi buzda gazların çözünürlüğü çok düşüktür ve doku dondukça gazlar çözeltinin dışına çıkar, buzun erimesi esnasında ise bu küçük kabarcıklar genişler ve kavitasyonu oluşturur. Kavitasyon Oluşumu Ksilemdeki Su Taşımmını Kısmen veya Tamamen Engelleyebilir Ksilemdeki su sütunundaki bozulma eğer onarılmazsa bitki için çok zararlı olabilir. Bu şekilde oluşan emboliler, ana taşınım yollarını tıkayarak (Şekil 3.7), dehidrasyona ve yaprak sararmasına ve sonuç olarak bitkinin ölümüne neden olabilir.



Yüksek basınç



Düşük basınç



Şekil 3.7. İletim demetinde emboli oluşumu.



54



Ksilemdeki kavitasyon, birkaç yolla azaltılabilir. Trake ve trakeidler içerisinde oluşan emboliler ksilemde yer alan kenarlı geçitlerle durdurulur ve belirli ölçüde yayılması engellenir. Bu büyüme ile yine torusa baskı yapılarak geçitler kapatılır. Ksilemdeki trake ve trakeidler geçitler vasıtasıyla birbirlerine bağlantılı olduğundan bu oluşan emboliler suyun taşınımını tamamen engelleyemezler. Su, diğer trake ve trakeidleri kullanarak yoluna devam eder (Şekil 3.7). Ayrıca bitkiler kavitasyonu engellemede başka mekanizmaları da kullanabilirler. Örneğin geceleyin transpirasyon hızı düşük olduğundan ksilemdeki gerilim düşer ve su buharı ile gazlar ksilem sıvısına geri dönerler. Hatta bazı bitkilerde pozitif bir basınç oluşumuna da neden olabilirler. Bu basınç yardımıyla gaz baloncukları küçültülür ve gazlar ksilem sıvısında tekrar çözünürler. Diğer taraftan birçok bitkide ise her yıl ksilemde sekonder büyüme meydana gelir ve sekonder ksilem oluşur. Bu yeni ksilem, çeşitli maddelerin birikmesi ve emboli oluşumu ile fonksiyonunu tam olarak yapamayan eski ksilemin yerine geçer. Özellikle uzun ağaçlarda suyun hareket mekanizması ile ilgili önemli bir problem suyun taşınmasını sağlayan enerjinin kaynağıdır. Olgun bir akçaağaç bir günde 1000 litrenin üstünde su kaybeder. Eğer bu su ortalama 15 m yükseklikte kaybedilirse, 1000 litre suyu (yaklaşık olarak 1000 kg) 15 m yüksekliğe çıkarabilmek için gerekli olan eneıji, kohezyon-gerilim teorisine göre bitki tarafından sağlanamaz. Söz konusu enerji, yaprak yüzeyine düşen güneş ışığının suyun buharlaşmasına neden olmasıyla sağlanır.



Bölüm 4



BİTKİLERDE SU KAYBI OLAYLARI Bitkiler topraktan çok önemli miktarlarda su alırlar ve bu suyun büyük bir kısmını genellikle yapraklarından dışarıya verirler. Burada su topraktan sıvı halde alınır, fakat yapraklardan ortama verilirken büyük bir kısmı gaz halindedir. Bölüm 2’de suyun özellikleri anlatılırken, özgül ısısının yüksek olduğu belirtilmiştir. Bu nedenle bu yüksek su kaybı (buharlaşma) sırasında çok önemli miktarda enerji de bitkiden ayrılır. Çok sıcak havalarda insanlar güneş altında çok uzun süre kalamazken, bitkilerin gün boyu aynı ortamda kalmalarında yukarıda belirtilen su alınımının ve bu suyun buharlaşma şeklinde kaybedilmesinin şüphesiz önemi büyüktür. Hatta güneşli günlerde insanlar ve hayvanlar ağaç ve benzeri bitkilerin gölgesinde serinlemeye çalışırlar. İnsanlar, ağaç altlarının diğer cansız cisimlerle yapılan gölgelemelere oranla daha serin olduğunu bilirler. Bu anlatılan olayların temelinde transpirasyon yer alır.



TRANSPİRASYONUN MEKANİZMASI Bitkilerin bünyelerindeki suyu gaz halinde atmosfere vermeleri olayına transpirasyon (terleme) adı verilir. Bitkiler transpirasyonla önemli miktarlarda suyu atmosfere verirler. Örneğin orta büyüklükteki bir saksı bitkisi transpirasyonla (saatte) 2 g, bir yulaf bitkisi (günde) 70 g, tek bir ağaç (günde) 500 kg ve bir hektar orman (günde) 30 ton su kaybetmektedir. Transpirasyonla bitkinin su kaybının en büyük kısmı (% 90’nından daha fazla) yapraklardan gerçekleştirilir. Çok az bir kısmı ise genç sürgün ve yan dalların korteksindeki küçük açıklıklardan (lentisel) sağlanır. Odunlaşmış



56



gövdelerin ve bazı meyvelerin lentisellerinden de su, gaz halinde atmosfere verilebilir ve bu olay lentisel transpirasyonu olarak adlandırılır. Yapraklardaki transpirasyon, iki aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada su topraktan kökler tarafından alındıktan sonra, ksilem aracılığı ile yaprakların mezofılindeki stoma alt boşluğuna taşınır. İkinci aşamada su, difuzyonla stoma alt boşluğundan atmosfere gaz (buhar) halinde verilir. Yapraklardaki bu ikinci aşamada atmosfere suyun geçişi, stoma ve kutikula ile yapılır (Şekil 4.1). Ksilem



Şekil 4.1. Transpirasyon sırasında suyun hareketi (Green ve ark.’dan) Bitkilerdeki Yapılır



Transpirasyonun



Önemli



Bir



Kısmı



Stomalardan



Yapraklardan meydana gelen transpirasyonun % 90-95’i stomalardan yapılır. Stoma, bilindiği gibi yaprağın epidermisinde yer alır ve porlar ihtiva eder. Stoma açıklığı da denilen bu porlar, yapraktaki hücreler arası alanlarla ilişkide olup, suyun gaz halinde buralardan alınıp, yine gaz halinde atmosfere



BÖLÜM 4 BİTKİLERDE SU KAYBI OLAYLARI



57



verilmesini sağlarlar. Bu transpirasyon olayına stoma transpirasyonu adı verilir (Şekil 4.1). Kutikula, Transpirasyonu Kontrol Eden Önemli Bir Tabakadır Yapraklara ulaşan suyun çok azı yine gaz halinde (yaklaşık % 5-10 kadarı) yaprak epidermis yüzeylerini örten kutikula yoluyla havaya verilir. Bu da kutikula transpirasyonu olarak adlandırılır (Şekil 4.1). Kutikula, mumlar ve diğer hidrofobik maddelerden oluşan bir tabakadır. Bu tabaka suya karşı genellikle geçirgen olmamakla birlikte, gaz halindeki suyu çok az miktarlarda geçirebilir. Yapraklardan kutikula aracılığıyla yapılan su kaybı, bitki türlerine göre değişir. Bu değişim büyük ölçüde kutikula tabakasının kalınlığına bağlıdır. Kutikula transpirasyonu, özellikle ince kutikulaya sahip yaprakların kurak ortamlarda stomalarını kapatmaları durumunda büyük önem taşımaktadır. Bundan başka, kış mevsimi başlangıcında yaprak döken ağaçlarda, kış boyunca lentisel transpirasyonu önemli boyutlara ulaşabilir. Yapraklarda ksilemden alman su, stoma boşluğuna 3 yolla iletilir. Bunlar köklerde olduğu gibi apoplast, simplast ve transmembran yollarıdır (Şekil 4.1).



Transpirasyonun Devamlılığını Sağlayan Kuvvet, Buhar Basıncıdır Önceki bölümde suyun hareketinin, su potansiyelindeki farklılıktan kaynaklandığı belirtilmişti. Transpirasyonu "gerçekleştiren kuvvet ise alt stoma boşluğu ile dış ortamdaki su potansiyelindeki farklılıktan kaynaklanır. Fakat transpirasyon olayında su, buhar (gaz) halindedir. Bu nedenle buhar halindeki su moleküllerinin konsantrasyonunu ifade etmek için buhar yoğunluğu ifadesi kullanılır ve hacim başına buhar kütlesi birimi (g/m'3) ile ifade edilir. Buradaki konsantrasyon, aynı zamanda bulunduğu yerin çeperine ve sıvı yüzeyine yaptığı basınç ile de ifade edilebilir. Bu basınç, buhar basıncı (birimi kPa=kilopaskal) olarak adlandırılır. Buhar basıncı ve buhar yoğunluğu ifadeleri birbirine dönüştürülebilir. Ficks’in difüzyon kanununa göre; moleküller, yüksek konsantrasyonlu bölümden düşük konsantrasyonlu bölüme doğru, bir konsantrasyon gradiyentine bağlı olarak hareket ederler. Aynı şekilde buhar konsantrasyonu buhar basıncı ile orantılı olduğundan, gaz halindeki su molekülleri yüksek buhar basıncına sahip oldukları bölümden, düşük buhar basıncına sahip oldukları bölüme doğru hareket ederler. Genellikle alt stoma boşluğu, yaprağın dışına göre daha yüksek



58



bir buhar basıcına sahip olduğu için, gaz halindeki su molekülleri dış ortama doğru geçiş yaparlar. Bu basınç farklılığı (gradiyent) transpirasyonu sağlayan kuvveti oluşturur. Yaprağın iç kısmı ile yaprağın dış kısmı arasındaki buhar basıncı gradiyenti, sıcaklık, nem ve rüzgar gibi değişik faktörlere bağlı olarak değişebilir. Bu konu, transpirasyona etki eden faktörler başlığı altında daha sonra anlatılacaktır.



STOMALAR VE STOMALARIN TRANSPİRASYON OLAYINDAKİ ROLÜ Bilindiği gibi stoma, iki stoma hücresi (kilit hücresi) ve bu hücreler arasındaki stoma açıklığından (por) oluşur. Stoma hücreleri, stomanın açık veya kapalı olmasını kontrol ederler. Stoma hücrelerinin nasıl açılıp kapandıkları konusunda pek çok çalışma yapılmıştır. Stoma hücrelerinin açılıp kapanma hareketlerinin, bu hücrelerin osmotik özellikleri ile ilgili olabileceği düşünülmüştür. Bu hücreler ve komşu stoma hücreleri arasındaki osmotik farklılıklar sonucu, meydana gelen su potansiyel farkları ile hücreler ya su alır veya su kaybederler. Stoma hücreleri su alınca turgorlu hale (şişer) gelir ve stomanın açılmasına neden olurlar. Stoma hücreleri su kaybederse turgor durumu ortadan kalkar ve stomalar kapanır. Stomaların açılıp kapanmasında, turgor değişiminin yanında stoma hücrelerinin çeperleri de önemli rol oynar. Bitkilerde yaygın olarak bulunan amarillis tipi stomalarda, stoma hücrelerinin pora bakan ventral çeperi, komşu hücrelere bakan dorsal çeperden daha kalın ve daha az elastiktir. Basınç potansiyeli artınca, stoma hücresinin daha elastik ve ince olan dorsal çeperi oldukça fazla gerilebilmesine karşın, stoma açıklığına bakan ventral çeper pek fazla gerilme göstermez. Bunun sonucunda, iki stoma hücresi arasında elips şeklinde bir açıklık oluşur. Genellikle stomalar ışıkta açılır ve stoma kapanmasına yol açan başka bir etmen yoksa, yaprak ışıklandırıldığı sürece açık kalır. Karanlıkta ise stomaların kapandığı görülür. Stomaların maksimum açılmaları için gerekli ışık miktarı türlere göre çok değişebilir. Stomaların tam açılmaları için gerekli olan ışık miktarı, maksimum fotosentez etkinliği için gerekli olan ışık miktarından çok azdır. Hatta bazı bitki türlerinde, stomalar ay ışığında bile açılabilir.



BÖLÜM 4 BİTKİLERDE SU KAYBI OLAYLARI



59



Stomalann Açılması Esnasında Stoma Hücrelerindeki İyon Konsantrasyonu Artar, Stomalann Kapanması Esnasında Azalır Nişasta-şeker hipotezi, 19. yüzyılın ilk yıllarında stoma fizyolojisinde önemli bir yer tutmakta idi. Fakat stoma hücrelerine potasyum iyonlarının girişinin keşfedilmesinden sonra, nişasta-şeker hipotezi geçerliliğini kaybetmeye başlamıştır. Stoma hücrelerine potasyum girişi ilk olarak 1943 yılında S. Imamura tarafından bulunmuştur. Bunun yanında 1960’lı yıllarda M. Fujino ve R.A. Fischer, stoma açılmasında iyonların önemli rol oynadığını göstermişlerdir. Yine Fischer ve Hsiao (1968), stomalann açılmasına paralel olarak, stoma hücrelerine bol miktarda K+ girişi olduğunu bulmuşlardır. Bu sırada komşu hücreye giren K+ iyonunun stoma açılmasına yol açacak düzeyde osmotik potansiyel değişimine yol açtığı anlaşılmıştır (Şekil 4.2). Örneğin bitki türlerine ve deney koşullarına bağlı olarak, açık durumdaki stomalarda 400-800 mM olan potasyum iyonu konsantrasyonun, kapalı stomalarda 100 mM’a kadar azaldığı bulunmuştur.



stoma açık



Stoma kapalı



Şekil 4.2. Stoma açılmasında K+ iyonlarının rolü Stomalann açılması üzerine ışık yoğunluğunun ve karbondioksit konsantrasyonunun önemli etkisi vardır. Stomalar yüksek ışık yoğunluğu ve düşük karbondioksitli ortamda açılmaktadır. Bu etkinin K+ iyonlan ile ilişkisi olmasına rağmen, mekanizması tam olarak bilinmemektedir. Örneğin karbondioksit ihtiva etmeyen bir ortamda ışığın, stoma hücrelerine K+ girişini sağladığı görülmüştür. Karanlıkta ise stoma hücrelerinden komşu hücrelere K+ çıkışı olmakta ve stomalar kapanmaktadır. Gerçekten laboratuarda bitki yapraklarından epidermis şeritleri çıkarılıp, ışıklı bir ortamda, K+ içermeyen çözeltilerde bir süre bekletildikten sonra stomalann açılmadığı görülmüştür.



60



Dıştan uygulanan absisik asit hormonunun da stoma kapanmasına neden olduğu belirlenmiştir. Yapılan araştırmalarda, bu hormonun stoma hücresinin K+ kaybetmesine neden olduğu anlaşılmıştır. K+ iyonunun stoma hücresi tarafından alınması, yalnızca ışık enerjisinin sağladığı aktif bir iyon alınımı değildir. Bazı türlerde K+ ile birlikte C1‘ veya diğer bir anyonun stoma hücrelerine girip çıktığı anlaşılmıştır (Şekil 4.2). Stoma hücrelerine giren K+ iyonu sayısı kadar H+ iyonu dışarı çıkar ve bu nedenle stoma hücrelerinde pH yükselir. Stoma hücresinin zarları, hücre dışına aktif olarak H+ pompalayan bir proton pompası içerir. Bu pompa muhtemelen stoma hücresi kloroplastlarındaki devresel fosforilasyon ile oluşan ATP ile çalışır. Stoma hücrelerindeki H+ iyonu kaybı, K+ iyonlarının hücre içerisine pasif hareketi ile sağlanır. Stoma sitoplazmasından H+ iyonlarının kaybedilmesi pH'ı 8-9'a çıkarır. Bu pH, fosfoenol pirüvat karboksilaz için optimumdur. Bu enzim nişastadan oluşmuş fosfoenol pirüvatın, oksaloasetata dönüşmesini katalizler ve oksaloasetat da malat dehidrogenaz tarafından malata indirgenir. Gerçekten de, stoma açılması sırasında, stoma hücrelerinde nişastanın azaldığı bilinmektedir. Ancak ortamda şekerlerin biriktiğini gösteren deney sonuçları yoktur. Malat vakuolde birikir ve vakuoldeki su potansiyelini azalttığı için vakuole su alınır. Bu durumda iki stoma hücresinin turgor durumu artar ve stoma açıklığı genişler. ABA'nın proton pompasını bloklayarak olayların bu normal seyrini kestiğine inanılır. Vakuolün su potansiyelinin artması sonucu meydana gelen değişiklikler ile su, stoma hücrelerinden dışarı atılır. Bu durumda stoma hücreleri daha da büzülür ve stoma açıklığı daralır (Şekil 4.3).



Şekil 4.3. Stomanın açılıp-kapanma mekanizması PEP: fosfoenolpirüvat, OAA:oksaloasetat, PC: fosfoenol pirüvat karboksilaz, MD: malat dehidrogenaz.



BÖLÜM 4 BİTKİLERDE SU KA YBI OLA YLARI



61



TRANSPİRASYONUN GÜNLÜK DEĞİŞİMİ Transpirasyonun günlük değişimi büyük ölçüde stomaların açık kalma durumuna ve süresine bağlıdır. Stomaların açılıp-kapanması üzerinde etkin olan ışık, sıcaklık ve nem gibi ortam faktörleri günlük değişim gösterdiklerinden, bu etmenler transpirasyonun hızı üzerinde az veya çok düzenli olabilen periyodik değişimlere neden olurlar. Güneşli bir günde, sabahleyin bitkilerde transpirasyon artmaya başlar, öğle saatini geçince maksimuma ulaşır ve öğleden sonra giderek azalır (Şekil 4.4). Gece stomalar kapalı olduğundan, bitkide transpirasyon kutikula yoluyla yapılır. Transpirasyondaki bu günlük değişim stomaların su potansiyeli ve yaprak hücrelerinin arasındaki alan ile dış ortam arasındaki buhar basıncı farkı gibi etmenlerin değişimi ile açıklanır. Ayrıca yapraklarını dökmeyen bitkilerde transpirasyonun mevsimsel bir değişim gösterdiği belirlenmiştir. Özellikle yaz ortasında transpirasyonun maksimum olduğu, kışın ise azaldığı gözlenmiştir.



Günün saatleri



Şekil 4,4. Transpirasyonun günlük değişimi



TRANSPİRASYONUN ÖNEMİ Transpirasyon bitkinin ısısını düzenleyici bir olaydır. Yapılan ölçümler, genellikle canlı yaprak sıcaklığının, çevre sıcaklığına göre birkaç derece düşük olduğunu göstermiştir. Bu durum yapraklarda fazla ısı enerjisi birikimine engel olan bir enerji dağıtım mekanizmasının varlığını gerektirmektedir. Transpirasyon enerji tüketen bir olay olduğuna göre, yapraklardaki bu enerji dağıtım mekanizmasının da transpirasyonla ilgili olduğu ve alman ısı enerjisinin büyük bir kısmının bu yolla harcandığı düşünülebilir. Ancak bu düşünceyi benimsemeyen fizyologlar da vardır.



62



Pasif mineral madde almımında ve ksileme alınan iyonların taşınmasında transpirasyonun etkin olduğu bilinmektedir. Bitkilerin transpirasyonla kaybettikleri suyu topraktan alması koşuluyla, transpirasyonun, bitkilerin büyüme ve gelişmesini olumlu yönde etkilediği ileri sürülmüştür. Buna karşın, transpirasyonla yapılan su kaybı, bitkinin topraktan aldığı sudan daha fazla ise, tam tersine, bitkiyi ölüme götürecek solgunluk ve kurumalar ortaya çıkar. Su eksikliği, özellikle bitkide amino asit ve protein metabolizması üzerinde etki göstermektedir. Böyle durumlarda protein sentezi durduğu gibi, proteinlerin parçalanması da artmaktadır.



TRANSPİRASYONUN ÖLÇÜLMESİ Transpirasyonun ölçülmesinde iki metod, etkin olarak kullanılmaktadır. Bu metodlardan birisi ağırlık kaybının, diğeri ise gaz değişiminin belirlenmesi esasına dayanır. Ağırlık kaybı metodunda, iyi sulanmış bir saksı bitkisinin toprak veya saksı yüzeyi suyun buharlaşmasını engelleyecek şekilde iyice kapatılır. Başlangıçta ve belirli aralıklarla saksının ağırlığı bitki ile birlikte tartılır. Ağırlık kaybı, bitki tarafından kaybedilen su miktarına atfedilir. Bu ağırlık kaybı metodu lisimetre metodu olarak da bilinir. Zirai alan çalışmalarında bu düzenek, yeraltına gömülmüş ağırlık kaydedici bir alet üzerine toprakla doldurulmuş büyük sandıkların konulmasıyla yapılmaktadır. Burada, topraktan buharlaşma yanında su girişi (yağmur ve sulama gibi) kontrol edilmelidir. Lisimetre metodu, tarla çalışmaları için doğru ve çok güvenilir olması yanında yapımı pahalıdır. Gaz değişimi metodu ile ölçme, sadece hava giriş ve çıkışına sahip olan şeffaf odaya, bir yaprak veya bir bitki dalının konulup sistemin kapatılması ile yapılır. Bu sistem fotosentez denemelerinde de kullanılabilir. Transpirasyon, su miktarındaki farklılığın odaya giren hava ve odadan ayrılan havanın belirlenmesi ile hesaplanır. Bu metod, tarla çalışmalarında kullanılabilir özelliktedir. Bunun için büyük küçük bütün bitkilerin plastik bir örtü ile kapatılması gerekir. Gaz değişim metodları kısa zamanlı çalışmalar için tercih edilir. Çünkü uzun süreli çalışmalarda yaprak etrafındaki mikroiklim önemli ölçüde değişebilir. Bu metodu esas alan ve tarla denemeleri için kullanımı kolay olan taşınabilir cihazlar ticari olarak üretilmektedir.



BÖLÜM 4



BİTKİLERDE SU KAYBI



63



TRANSPİRASYON HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Doğal olarak bitkilerde transpirasyon hızını düzenleyen en önemli faktör, stoma açıklığıdır. Ancak bunun dışında transpirasyonu etkileyen bitkisel ve ortamsal faktörlerin de varlığı bilinmektedir.



Kök - gövde oranı: Bitkilerin su almalarını sağlayan kökün yüzeyi ile suyun buhar halinde kaybedildiği yaprağın ve kısmen de gövdenin yüzeyi arasındaki oran, transpirasyon hızını önemli ölçüde etkiler. Yaprak alanı: Bitkide toplam yaprak alanı ne kadar fazla ise, toplam transpirasyon da o kadar fazladır. Ancak birim yaprak yüzeyi göz önüne alındığında durum böyle değildir. Küçük yapraklı bitkiler birim yaprak alanlarından, büyük yapraklı bitkilere göre daha fazla su kaybederler. Bir bitkide yaprakların bir kısmının koparılması ile kalan yapraklarla birim alandan daha fazla su kaybedildiği ortaya konmuştur. Ancak toplam transpirasyon, yaprakları koparılmamış bitkide daha fazladır. Yaprakların koparılmasıyla kökgövde oranının artması sonucu birim yaprak alanından transpirasyonun arttığı kabul edilmiştir. Yaprağın yapısı: Kurak bölge bitkilerinin (kserofıt) yapraklarında, genellikle kalın bir kutikula bulunur. Hücre çeperleri kaim olup, iyi gelişmiş palizat dokusuna ve örtü tüylerinden oluşmuş bir epidermal tüy tabakasına sahiptirler. Stomalar ise çukurlarda yer alır. Normal ortam bitkileri (mezofıt) ile kurak ortam bitkileri arasındaki bu fark, kurak ortam bitkilerinin su kaybetmelerini önemli derecede engeller. Koparılmış mezofit ve kserofıt bitki yaprakları bir süre aynı ortamda bırakılırsa, mezofit yaprakta solgunluk belirtileri daha önce görülür. Burada kurumaya karşı direnç sağlayan en önemli etmen kutikula tabakasının kalınlığıdır. Kurak ortamlarda stomalar kapalı olup, su kaybı sadece kutikular transpirasyonla sağlanır. Birçok araştırıcı, bitkinin yeterli su sağlayabildiği durumlarda, kserofıtlerin mezofıtlerden daha hızlı transpirasyon yapabileceklerini gözlemişlerdir. Bunun nedeni, kserofıtlerin yapraklarında birim alan başına daha fazla stomanın bulunması ve damarlanmanın da daha yoğun olmasıdır. Işık: Stomalann açılması için en önemli faktörlerden birisidir. Dolayısıyla transpirasyon üzerinde de en önemli etkiye sahiptir. Işığın, dalga boylarına göre transpirasyon üzerindeki etkisi birbirinden farklıdır. Ayrıca ışık, yaprak sıcaklığını da değiştirerek transpirasyon hızını dolaylı bir şekilde etkiler.



64



Havanın nemi: Havanın nemi buhar basıncı ile ifade edilir ve bu değer büyük ölçüde havanın sıcaklığına bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda bir yüzeyden yapılan buharlaşma, yüksek sıcaklıklardaki buharlaşmadan çok daha yavaştır. Sıcaklık, buhar basıncını ve dolayısıyla havanın nem oranım düşürerek, yaprağın iç kısmı ile dış ortam arasındaki buhar basıncı farklılığını artırarak transpirasyonu hızlandırır. Örneğin yağışlı havalarda sıcaklığın değişmemesi şartı ile bitkinin iç ve dış ortamları arasındaki buhar basıncı yaklaşık eşit olduğundan transpirasyon yavaşlar. Kurak havalarda ise bunun tam tersi meydana gelir. Sıcaklık: Diğer bütün faktörlerin sabit olduğu durumlarda sıcaklığın belirli sınırlar içinde artması sonucu transpirasyon olayı hızlanır. Bazı durumlarda yaprağın sıcaklığı ile dış ortam arasındaki sıcaklık farklı olabilir. Özellikle kalın yapraklar, güneş ışığına maruz kalırlarsa, dış ortamdan daha fazla ısınırlar. Bu durumda iç ve dış ortam arasında buhar basıncı farkı artacağı için transpirasyon hızı da artar. Ayrıca stomalar genellikle düşük sıcaklıklarda kapalı, 30 °C'ye kadar açık olduğu göz önüne alınırsa, bu yolla da transpirasyon etkilenebilir. Rüzgar: Transpirasyon yapan bir yaprağın üzerinde, özellikle durgun havalarda, su buharı birikimi nedeniyle, havanın buhar basıncı artar ve transpirasyon yavaşlar. Oysa rüzgar, biriken su buharı tabakasını alıp, götürdüğü için transpirasyonu hızlandırır. Ancak transpirasyondaki artışın, rüzgar hızı ile orantılı olmadığı görülmüştür. Çünkü hızlı esen rüzgarlar stomaların kapanmasına yol açabilir veya yaprak yüzeyinde soğutucu bir etki yaparak dolaylı olarak transpirasyon hızını azaltabilir. Toprak Suyu: Topraktan su alabilmenin güç olduğu durumlarda, bitkide su eksikliği ortaya çıkacağından, bu durum transpirasyonun azalmasına yol açar. Bitki transpirasyonla kaybettiği suyu topraktan alabilirse ancak o zaman normal transpirasyon devam edebilir.



BİTKİLERDE SIVI HALDE SU KAYBI OLAYLARI Bitkiler sadece gaz halinde değil, sıvı halinde de su kaybedebilirler. Sıvı halde su kaybetme olaylarından birisi gutasyon diğeri ise eksüdasyondur. GUTASYON (DAMLAMA) Havanın su buharına doymuş olduğu sabahlarda, bitki yapraklarındaki hidatot adı verilen açıklıklardan damlacıklar halinde meydana gelen su kaybı olayına gutasyon adı verilir. Hidatodlar genellikle damar sonlarında bulunurlar.



BÖLÜM 4 BİTKİLERDE SU KAYBI OLAYLARI



65



Gutasyon kök basıncı arttığı zaman meydana gelir. Gutasyon özellikle ilkbahar aylarında (Nisan ve Mayıs) sabahın erken saatlerinde görülür. Çünkü bu mevsimde gündüz köklerle bol miktarda alınan suyun bir bölümü, gece süresince transpirasyon azaldığından (stomalar kapalı olduğundan dolayı), kök basıncı etkisiyle ksilemde beliren hidrostatik basınçlar sonucu, ya pasif hidatotlardan ya da aktif hidatotlardan dışarı atılır. Bu şekilde özellikle Gramineae familyası üyeleri ve bazı bitki türleri, oldukça fazla su yitirmektedirler. Böylece bitkide kesintisiz su akımı sağlanmış olur. Gutasyon olayının bitkide ısı ve turgorun düzenlenmesi ve bazı toksik maddelerin dışarı atılması gibi olaylarda rol oynadığı ileri sürülmüştür. EKSÜDASYON (YAŞARM A) Herhangi bir etmenle, bitkilerin gövdelerinde açılan bir yaradan dışarıya su sızması olayına eksüdasyon adı verilir. Bu olay, kök basıncı yardımıyla suyun bitkide yukarı doğru itilmesi ve yara yüzeyinden dışarı çıkmasıyla meydana gelmektedir. Yaşarma sıvısının şeker, protein ve organik asitler gibi maddeleri de içerdiği belirlenmiştir. Yaşarmanın süresi bitki türlerine bağlıdır. Örneğin bazı otsu bitkilerde birkaç gün, Agave (sisal)'de ise birkaç ay kadar sürebilir. Yaşarma, toprak suyu ve sıcaklığına büyük ölçüde bağımlıdır. Çeşitli solunum inhibitörleriyle yaşarmanın durdurulması ve oksijen miktarına bağlı olarak olayın hızlanması, eksüdasyonun enerji metabolizması ile ilgili aktif bir metabolik olay olduğunu göstermektedir.



BÖLÜM 5



BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, MİNERAL ALINIMI VE TAŞINIMI Köklerin toprak içerisinde bulunması, bitkinin canlılığını devam ettirmesi bakımından oldukça önemlidir. Toprak, bitkiyi bulunduğu ortama bağlayan iyi bir tutucudur. Aynı zamanda suyun ve mineral maddelerin depolanması, minerallerin değişimi için de iyi bir ortamdır. Toprak tiplerinin, bitkinin büyümesini etkileme dereceleri birbirinden farklıdır. Bitki büyümesi için uygun bir toprak seçiminde aşağıdaki özellikler değerlendirilir. Bunlar; toprağın yapısı, iyon değişim kapasitesi, pH’sı ve mineral iyon içeriği ve iyonların kullanılabilirliğidir. Toprağın yapısı ile iyon değişim kapasitesi arasındaki ilişki üzerinde daha sonra durulacaktır. Toprak bitki için önemli olmasına rağmen, bitkinin büyümesi için mutlaka gerekli değildir. Nitekim yüzücü akuatik (sucul) bitkiler, toprağa bağlanmaksızın büyüyebilme özelliğindedir. Diğer taraftan gerekli mineral besinleri ihtiva eden ve havalandırılan bir suya, kökleri batırılan bir bitki, normal olarak büyür ve hayatım tamamlar. Bu şekilde sulandırılmış bir ortamda bitkileri büyütme işlemi hidroponik olarak adlandırılır. f



TOPRAĞIN YAPISI Toprağın yapısı denilince, kümeler şeklinde bir araya gelmiş toprak partikülleri akla gelir. Birbirinden farklı toprak tipleri vardır. Bunlar kumlu, milli, killi ve yüksek organik madde içeriğine sahip olan humuslu topraklardır.



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMI VE TAŞINIMI



67



Kumlu toprakların bir araya gelme eğilimi çok az olup, büyük porlara sahiptirler. Aynı zamanda az miktarda organik madde ihtiva ederler. Kumlu topraklar, suyu kolayca akıtma ve mineralleri sızdırma özelliğine sahiptirler. Böylece minerallerin kumlu toprak partİKÜllerine bağlanma eğilimi çok zayıftır. Kısaca, kumlu toprakların su tutma kapasitesi ve mineral besin içeriği genel olarak çok düşüktür. Yüksek oranda kil ihtiva eden topraklar, yüksek oranda su ve mineral madde tutma kapasitesine sahiptirler. Kil partiküllerinin yüksek mineral madde tutma kapasitesi, yüzey/hacim oranının büyük ve kil partiküllerinin negatif yüklü olmasına bağlıdır. Kil partiküllerinin yüzeyindeki negatif yükler, pozitif yüklü mineral besinlerin bağlanmasına izin verirler. Bununla birlikte yüksek kil içeriğine sahip topraklar sıkı küme oluşturma eğilimindedirler. Sonuç olarak killi topraklar küçük porlara sahip olmalarından dolayı su ve hava hareketini engellerler. Yüksek kil içeriğine sahip topraklar suyu oldukça kuvvetli tutarlar ve bu nedenle bitkiler tarafından suyun kullanımı azalır. Kil bakımından zengin toprakların küçük porlarında su birikmesi, aynı zamanda kökler tarafından oksijen kullanımını da azaltır. Killi toprak kolloidleri hakkında daha sonra ayrıntılı bilgiler verilecektir. Topraktaki organik maddeler bitki, hayvan ve mikroorganizma atıklarından oluşurlar. Bu atıklar, kimyasal dönüşümle ve toprak mikroorganizmalarının faaliyetiyle parçalanırlar. Sonuçta humus olarak adlandırılan nispeten kararlı organik maddeler üretilir. Kil partiküllerine benzer olarak, humus partikülleri nispeten büyük toplam yüzey alanına sahip olup, negatif ve pozitif yüklü mineral besin elementlerini bağlama kapasitesindedirler. Bununla birlikte yüksek humus içeriğine sahip topraklar, aşın kil ihtiva eden topraklarda olduğu gibi sıkıca kümeleşmezler. Kısaca organik topraklarda por aralıkları orta bir boyuttadır. Bu özellik toprak içerisinde hava ile suyun hareketini engellemez ve toprağın yüksek su tutma kapasitesine sahip olmasını sağlar. Toprak, Bitkiler İçin Bir Besin Deposudur Yukarıda belirtildiği gibi toprağın mineral bileşenleri farklı partiküllere sahip olan kum, mil ve kilden oluşur. Küçük bir miktar toprak, su içerisinde karıştırıldığında büyük kum partikülleri dibe çöker, saatler sonra mil partikülleri de çökelmeye başlar. Çok küçük olan kil partikülleri ise karışım (süspansiyon)



68



içerisinde asılı olarak kalır. Bu kil partikülleri normal bir gözle görülemezler. Ancak bir ışık geçirilmesi durumunda ışığı kırmalarıyla belirlenebilirler. Bu ışık kırma olayı (tindal etki), kolloidal süspansiyonların özelliğidir. Kolloidler, çözeltinin dibine çökebilecek kadar büyük, fakat çözeltide kalabilecek kadar da küçük partiküllerden oluşurlar. Suda çözünmüş sakkaroz ve NaCl çözeltilerinde, çözünen ve çözücü tek bir faz oluşturduğundan dolayı ışığı kıramazlar. Dolayısıyla kolloidal bir süspansiyon oluşturamazlar. Kolloidal süspansiyon ise sıvı faz içerisinde dağılan katı bir fazdan (kolloidal misel) oluşur. Kolloidal kilin ilginç olması iki faktöre bağlıdır. Bu faktörlerden birisi, kolloidal yüzey üzerinde katyonları bağlayan çeşitli sayıda negatif yüklerin oluşmasıdır. Gerçekten bitki beslenmesi ile ilgili olarak, kolloidal yüzeyler üzerinde katyon değişimi ve katyonların kalma yeteneği, toprağın en önemli özelliğidir. Küçük hacimlerinden dolayı, kolloidlerin en önemli özelliklerinden diğeri de özel yüzey alanı olarak bilinen birim kütle başına yüzey alanlarının yüksek olmasıdır. Örneğin bir gram küp şeklindeki bir toprak kolloidinin kenarı 10 mm olsun. Bu küpün özel yüzey alanı 10x10x6 kenar=600 mm2/g olarak bulunur. Eğer bu kübik kolloid, parçalanırsa ve her bir parçanın kenarı 0,01 mm olursa, her bir partikülün yüzey alanı 0,01x0,01x6 kenar= 6x10‘6 mm2 olur. Bir gram toprakta 1012 partikül olacağından özel yüzey alan toplamı 1012x6xl0' 6=6.000.000 mm2/g olarak bulunur. Yani bölünme sonucu özel yüzey alanı 10 bin kat artmış olur. Böylece kolloidler, toprak çözeltisindeki mineral elementlerle ilişki sağlamak için çok geniş alanlar oluştururlar. Toprak kolloidleri ile mineral elementler arasındaki ilişki, kolloidal yüzeyler üzerindeki yükler tarafından artırılır. Kolloidal killer, alüminyum silikatları bulundurur ve negatif yükler, mineral partikülünün kenarındaki alüminyum oksit ve silisin iyonizasyonu yardımıyla meydana gelir. Birçok toprak ise kolloidal karbon artıkları ihtiva eder. Bunlar başka bir isimlendirmeyle humus olarak adlandırılır. Humus, organik materyallerin, yağmur ve mikroorganizmaların etkisiyle yavaş olarak ve kolloidal boyutlara bozulmasıyla tamamlanan bir oluşumdur. Kolloidal karbon, büyük ölçüde lignin ve karbohidratlardan türevlendiğinden dolayı, karboksil ve hidroksil gruplarından oluşan negatif yükleri taşırlar. Mineral ve organik kolloidler, yüksek oranda su ihtiva ederler. Komşu su moleküllerinin pozitif kutbuna, kolloidlerin negatif yüklü yüzeyleri



BÖLÜM S BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMI VE TAŞINIM1



69



bağlandığından dolayı, bir su tabakası oluşur. Su molekülleri artıkça ve yüzeyler arasındaki mesafe azaldıkça kolloidal yüzeyde güçlü bir çekim oluşur. Toprak Kolloidleri Katyonlar İçin Değişik İlgilere Sahiptirler Kolloidler,



bulundukları



toprak



çözeltisindeki



katyonlara



çeşitli



derecelerde ilgi gösterirler (bağlanırlar). Yeterince katyonun adsorbe edilmesi durumunda yüzey yükleri nötralize olabilir. Şayet su tabakası uzaklaştırılırsa ve yüzey yükleri nötralize edilirse, kolloidal süspansiyonlar kararsız hale gelir. Bu durumda miseller birbirine yaklaşabilir, kümeleşebilir ve dibe çökebilir. Benzer bir durum proteinlerin saflaştırılmasında ve izolasyonunda da gerçekleşir. Protein çözeltisi terimi genel olarak kullanılmakla birlikte, proteinler gerçek anlamda bir çözelti oluşturmazlar. Aslında proteinler süspanse olmuş kolloidlerdir. Bir süspansiyon içerisindeki proteinler, alkol veya aseton gibi organik çözücülerin eklenmesiyle çöktürülebilirler. Bu muamele ile proteinleri kuşatan çözeltinin su potansiyeli azaltılır ve protein kolloidlerindeki su uzaklaştırılır. Proteinler (diğer bir alternatif uygulama) aşırı tuz ilavesi ve salting out olarak bilinen bir olayla da çöktürülebilirler. Bu olayda tuz, yüzeydeki yükleri nötralize eder ve aynı zamanda su tabakasını kaldırır. Yüksek çözünme özelliğine sahip olmasından dolayı amonyum sülfat bu amaçla kullanılır. Salting out önemli bir metottur. Çünkü bu metotla süspansiyondan proteinler uzaklaştırılır ve denatüre edilmeksizin konsantre edilirler. Aynı esaslar toprak kolloidlerinin kararlılığını korumada ve mineral iyonlann kolloidal yüzeyle ilişkisini sağlamada da geçerlidir. Negatif Yüzeylerle Katyonların İlişkisi Elektrostatik İlişkilere Bağlıdır Elektrostatik ilişkilere bağlı olarak katyonların toprak partiküllerine bağlanma ilgisi değişebilir: Al3+ > H+ > Ca2+> M g2+> K+= NH+> Na+ Bu seride alüminyum iyonları en yüksek, sodyum iyonları ise en küçük bağlanma ilgisine sahiptirler. Negatif yüklü toprak partiküllerinin hidrojen iyonlarına (H+) ilgisi, magnezyum (Mg2+), potasyum (K+) ve kalsiyum (Ca2+) gibi besin katyonlarından oldukça fazladır. Katyon absorbsiyonu reversibl bir olaydır. Yukarıdaki seride belirtilen yüksek ilgisi olan bir iyon (örnek H+), düşük ilgiye sahip olan (Ca2+) ile yerdeğiştirme kapasitesindedir. Yine diğer bir yol olarak, düşük ilgiye sahip



70



olan bir iyon, eğer yeterli bir konsantrasyonda olursa, kütlesinden dolayı yüksek ilgiye sahip olan bir iyonla yer değiştirebilir (Şekil 5.1). Adsorbe edilen katyonlarla, çözeltideki katyonlar arasındaki bu değişim olayı, iyon değişimi olarak bilinir. Böylece yukarıdaki seride sodyum iyonları çok kolay değişebilir olmasına rağmen, alüminyum en az değişir.



Şekil 5.1. Toprakta iyon değişimi. A) Katyonlar elektrostatik çekim yardımıyla negatif yüklü toprak partikülleri tarafından tutulur, B) Topraktaki hidrojen iyonlarının artmasıyla toprak asitleşir. Böylece katyonlar toprak partiküllerinden toprak çözeltisine geçer. Toprak Çözeltisindeki İyonlar Bitkilerin Esas Besinini Oluşturur Toprak çözeltisindeki iyonlar, bitkinin mineral beslenmesi için ara bir kaynak olmasına rağmen, absorbe edilmiş iyonlara sahip bu kolloidal fraksiyon, bitkinin esas besin kaynağını oluşturur. Toprak, kolloidal yüzeylerde adsorbe edilen katyonlarla çözeltideki katyonların serbestçe değişimini sağlayan çok dinamik bir sistem olarak görülmektedir. Çözünebilir besinler, sulandırılmış toprak çözeltisinden alındıkça, kolloidal kaynaklarda tutulan değişebilir iyonlar tarafından sürekli yer değiştirirler. Bu kaynaklar, kaya partiküllerinin aşınmasından kaynaklanan iyonlarla takviye edilirler. Bu şekilde iyon değişimi, bitki için gerekli besinlerin kontrollü bir şekilde serbest bırakılmasını sağlamada önemli bir rol oynar. Bununla birlikte bu durum, bitki için her zaman bir avantaj değildir. Örneğin asit yağmurları, yüksek hidrojen iyonu konsantrasyonuna neden olarak kolloidal kaynaktan katyonların ayrılmasına neden olur. Bu çözünmüş iyonlar kökler tarafından hemen alınamaz, yağmur suları ile topraktan sızdırılarak yer altı sularına karışırlar. Bu durumda toprak



,



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ ALINIMI VE TAŞINIMI



71



çözeltisindeki besin depoları hızlı bir şekilde azalır ve bitki için gerekli besin katkısı azalmış olur. Normal şartlar altında kök, hidrojen iyonu salgılayarak besin alımmına yardımcı olur. Toprak Kolloidleri Anyonları Tutamazlar Toprak kolloidleri negatif yüklü olduklarından dolayı, anyonları bünyelerinde tutmaları söz konusu değildir. Kil minerallerinin bir kısmı Mg2+ gibi katyonları bulundurmasına rağmen, çoğu toprağın anyon değişim kapasitesi genellikle çok düşüktür. Sonuç olarak anyonlar toprakta tutulamamaktadır. Bu nedenle yer altı suyuna süzülerek sızma eğilimleri yüksektir. Bu durum ziraat uygulamaları bakımından önemlidir. Şöyle ki anyon formunda uygulanan gübrelerin (örneğin azot, NO3') bitki tarafından alınabilmesi için yüksek miktarlarda uygulanmaları gerekir. Örneğin çiftçiler bir ürün üretmek için gerekli azot miktarının en az iki katını toprağa uygulamak zorundadırlar. Maalesef bu aşırı nitratın çoğunluğu yer altı sularına sızmakta ve kademeli olarak nehirlere ve göllere aktarılmaktadır. Göllerdeki bu besin zenginliği alglerin büyümesini uyararak, ötrofikasyon (eutrophication, biyoelementlerin zenginleşmesi) probleminin ortaya çıkmasına yol açmaktadır. Toprak Çeşitlerinin İyon Değişim Kapasitesi Birbirinden Farklıdır Toprakların, iyon değişim kapasitesi ve iyon tutma özellikleri birbirinden farklı olabilir. Genelde ince partiküllü topraklar, birim toprak hacmi başına daha fazla yüzey alanına sahiptirler. İyonlar esas olarak toprak partiküllerinin yüzeyine bağlandığından dolayı, ince partiküllerden oluşan topraklar, kaim partiküllerden oluşan topraklardan daha yüksek bir iyon bağlama kapasitesine sahiptirler. Kil ve humus gibi toprak partikülleri negatif yüklüdür ve böylece pozitif yüklü iyonlara (katyonlara) bağlanırlar. Sonuç olarak, katyon bağlama kapasitesi, humus ya da kil ihtiva eden topraklar için çok yüksektir. Toprak asitliğinin düşük olduğu durumlarda (nötr pH’ya yakın), hidrojen iyonlarının bitkiden toprağa geçişi, mineral kullanılabilirliğinde artışa neden olabilir. Bu hidrojen iyonları, toprak partiküllerindeki diğer katyonlarla yer değiştirirler ve bitki kökleri tarafından alınmaya uygun bir formda toprak çözeltisine bırakılırlar. Hidrojen iyonlarının toprak partiküllerine geçişini sağlayan iki olay vardır: Bu olaylardan birisi toprak mikroorganizmalarının faaliyeti, diğeri ise köklerdeki solunum olayıdır. Bilindiği gibi solunum olayında karbondioksit



72



açığa çıkar ve aşağıdaki eşitlikte gösterildiği gibi açığa çıkan CO2, toprak suyu ile reaksiyona girerek toprağın asitliğini artırır: C 0 2 + H20



H2C 0 3



-»



h + + h c o 3-



Asitlik, Toprak Partiküllerindeki Katyonların Yerdeğiştirme Yeteneğinden Ziyade Besin Kullanımını Etkiler Bazı bitki köklerinin belirli elementleri (örneğin kalsiyum, magnezyum, potasyum ve fosfat gibi) absorbe etme yeteneği asidik ortamda (düşük pH) artar. Örneğin bitki tarafından fosforun alınabileceği form, tek değerlikli H2PCV şeklindedir. Ancak ortam bazik olursa, iki değerlilikli (HPO4-2) ve üç değerlikli (PO4'3) şeklinde fosfor içeren formlar oluşur ki, bu fosfat formları bitkiler tarafından alınamaz. Bu nedenle asidik pH'da bitkiler fosforu kolaylıkla alırlar. Uzun süreli ve bol yağan yağmurlar, toprak pH’sını asidik yaparak, toprak partiküllerinden katyonların ayrılmasına ve onların alt tabakalara süzülmesine yol açarlar. Bunun sonucu olarak topraktaki toplam katyon konsantrasyonu düşer. Ayrıca asidik pH’larda hidrojen iyonları katyonların alınmasını engeller, buna karşın anyon iyon alınımı uyarılır. Bunun nedeni alınım sırasında H+ iyonlarının katyonlarla rekabet etmesidir. Bazik pH’larda ise, OH' iyonları, nitrat ve fosfat iyonları gibi anyonlarla rekabet ederek, bu iyonların alınmasını güçleştirir. Toprağın bazik olması (yüksek pH) demir, mangan ve alüminyum gibi katyonların kullanılabilirliğinin azalmasına yol açar. Çünkü toprağın pH'sı yükseldiği zaman (bazik pH), bu iyonlar suda iyi çözünmeyen karbonat ve fosfat tuzlarını oluştururlar. Bu tuzlar, bitki tarafından kullanılmayan kristal formuna dönüşerek çözelti dışına atılma eğilimindedirler. Diğer taraftan çok yüksek pH'da (bazik pH) meydana gelen demir eksikliği durumunda, demir şelate edilmiş bir yapıda toprağa ilave edilirse bu eksiklik ortadan kaldırılabilir. Demir şelatı, suda çözünebilen organik bir molekül ile kompleks oluşturan demire tercih edilir. Demirin şelatör olarak kullanılan şekli, etilendiamino tetra asetik asit (EDTA)'dır. Demir bir EDTA şelatı olarak toprağa ilave edildiği zaman, çözeltide kalır ve yukarıda belirtildiği gibi toprağın yüksek pH'ya sahip olması durumunda da bitki tarafından kullanılabilir. PH ’ya Bağlı Olarak Mineral Madde Alınımmın Engellenm esi Bazı Uygulamalarla Aşılabilir Yüksek toprak pH'sında demir ve diğer bazı metallerin sınırlı kullanım problemi, pH'yı düşürmek için toprağa asitleyici ajanların eklenmesiyle



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ,



VE TAŞINIM1



73



aşılabilir. Toprak asidifıkasyonu, kuvvetli asitlerin direkt ilavesiyle veya daha genel olarak kükürt ya da kükürt bileşiklerinin eklenmesi ve sülfürik aside dönüştürülmesiyle başarılabilir. Toprağın metal bileşiklerini yüksek miktarlarda ihtiva ettiği durumlarda, çöktürmeyle bunlar geri kazanılabilir. Toprağın asitleşmesi bu metallerin bitkiye olan toksikliğini artırır. Birçok durumlarda toprak, bitkinin uygun büyümesi için fazlaca asidik olabilir. Bu durumlarda toprak, kireç taşı (kalsiyum karbonat), yanmış kireç (kalsiyum oksit) ve sulu kireç (kalsiyum hidroksit) ile muamele edilir. Bu olay kireçleme olarak adlandırılır. Toprağa yeterli miktarda kalsiyum ilave edilirse, toprak partiküllerinden hidrojen iyonları ayrılır ve topraktaki toplam hidrojen iyonu konsantrasyonu azalmış olur. Dolayısıyla toprağın asitliği azalmış olur.



BESİN İYONLARININ ALINIMI Bitki hücrelerine (özellikle kök hücreleri) besin iyonlarının giriş mekanizması çok ilginçtir. Bir kökün ksilemine iyonların girmesi ve vasküler sistem yardımıyla dağılması için iyonlar hücre zarını geçmelidirler. Çözünmüş maddelerin veya iyonların hücre içerisine alınmasında; basit difüzyon, kolaylaştırılmış difüzyon ve aktif transport olayları rol oynar. Basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon olaylarında enerji harcanmadığından dolayı pasif iyon alınımı olarak adlandırılırlar. Aktif transportta ise enerji kullanıldığından aktif iyon alınımı olarak bilinir. Basit Difüzyon Daha önce belirtildiği gibi difüzyon, yüksek konsantrasyonlu bir bölümden düşük konsantrasyonlu bir bölüme iyonların hareketidir. Hücre zarlarındaki geçirgenlikten lipid tabakası sorumlu olduğu için, polar olmayan (nonpolar) maddeler zarlardan kolaylıkla geçebilirler. Polar maddeler ise geçemezler (bir istisna olarak su polar olmasına rağmen zardan kolaylıkla geçebilir). Örneğin O2, CO2 ve NH3 lipid tabakasından kolaylıkla geçebilen polar olmayan biyolojik olarak önemli 3 bileşiktir. Lipid tabakası özellikle yüklü bileşiklere veya iyonlara geçirgen değildir. Örneğin sentetik lipid tabakası veya suni zarlar, K+ ve Na+ gibi sudan çok küçük iyonlara daha az geçirgen bir özelliğe sahiptir.



74



OKUMA PARÇASI 5.1. PERM EABÎLİTE Biyolojik zarların (membran) çoğunluğu (özellikle plazmalemma, tonoplast ve hücre organellerinin çoğunu kuşatan zarlar) farklı permeabilite özelliği gösterirler. Membranlann fiziksel veya kimyasal yapılarından dolayı su molekülleri hızlı bir şekilde zarlardan geçerken, suda çözünmüş madde molekülleri zarlardan kolayca geçemezler. Çözücü moleküllerine geçirgen ancak çözünen madde moleküllerine geçirgen olmayan bir zar yan geçirgen (semipermeabil) olarak adlandmlır. Fakat biyolojik membranlann çoğunluğu semipermeabil olmaktan ziyade farklı derecelerde permeabildirler (selektif permeabil=Seçici geçirgen). Membranlar bu özellikleri ile canlılığın temel kuralı olan kontrollü madde alış-verişini sağlarlar. Bitki hücrelerinde genellikle permeabiliteden sorumlu iki yapı vardır. Bunlardan birisi hücre çeperi diğeri ise sitoplazma zan dır.



Hücre çeperi Hücre çeperi kolloidal yapıda olup jel (katı) özelliğindedir. Bu nedenle jel maddelerde olduğu gibi su emebilme ve şişme yeteneğindedir. Hücre çeperinin şişme yoluyla alabileceği su miktan, büyük oranda çeperin kimyasal bileşimine bağlıdır. Örneğin kütin ve süberince zengin çeperlerde su permeabilitesi azalırken, çeperin pektik madde



miktan



artıkça



çeperin



suya



permeabilitesi



artar.



Hücre



çeperinin



permeabilitesine sıcaklık, ve yoğunluk farkı gibi faktörler de etki eder. Genellikle bir hücre çeperinin suya permeabil olduğu ölçüde suda çözünen maddelere de permeabil olduğu kabul edilir. Fakat birçok araştıncı bazı hücresel çeperlerin belirli maddelere karşı geçirgen olmadığım belirtmiştir.



Sitoplazmik zar Canlı hücrelerin özellikleri bir derece zarlannm özelliklerine bağlıdır. Hücre, kendisini çevresinden izole eden ve çeşitli maddelerin giriş ve çıkışını seçici olarak kontrol etmesine imkan veren bir zarla çevrilmiştir. Aynca hücrenin alt yapılannm (organellerinin) hemen hepsi zarlarla veya zanmsı yapılarla kuşatılmıştır. Bu nedenle zarlann yapısı, bitki fizyolojisi açısından büyük bir önem taşımaktadır. Zarlar j elden



ziyade



çeşitli



maddeleri



kolloidal



süspansiyonlar halinde



bulunduran yan sıvı bir karaktere sahiptirler. Lipoproteinik yapıda olduklanndan az çok



,



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ ALINIM1 VE TAŞINIMI



75



bir elastikiyete ve yüzey gerilimine sahiptirler. Elastikiyet ve yüzey gerilim özellikleri, bu zarların permeabiliteleri üzerinde etkili iki önemli faktördür. Sitoplazmik zarlar su, karbohidrat, lipid, protein gibi birçok farklı molekülün ve ayrıca Mg4"2, Na+, K+ ve Ca+2 gibi çeşitli inorganik iyonlann geçişini düzenleyen yüksek derecede aktif yapılardır. Sitoplazmik zarlar bu maddelerin hareketini kontrol etmek suretiyle hücreyi aşın şişmek veya büzülmekten korurlar. Ayrıca gerekli maddeleri hücre içinde toplar ve bazı moleküllerin salınmasına izin verirler. Sitoplazmik zarlann bu hayati fonksiyonlan nasıl gerçekleştirdiklerini anlamak için zarlann son zamanlarda ileri sürülen yapısı hakkında bilgi vermek gerekir. Zarlann yapısı hakkında değişik zar modelleri ileri sürülmüştür. Fotosentez ve solunum olaylanndaki membranlara bağlı olan elektron taşınım aktivitesi, çözünebilir maddelerin transferlerinin regülasyonu gibi ünit zar modeliyle açıklanamayan birçok biyolojik



zann



aktivitesi,



1972' de



Singer ve



Nicolson



tarafından



membran



fonksiyonlannı daha iyi açıklayan ak ışk an sıvı m o za y ik modeli ile açıklanmıştır (Şekil OP 5.1). Bu model elektron mikroskobundan sağlanan zar fotoğraflanyla uygunluk sağlamaktadır. Akışkan sıvı mozayik modeline göre proteinler lipid tabakası üzerinde yer alırlar. Proteinler iki tabakalı fosfolipidin her iki tarafında tabakalar halinde değil, lipid molekülleri içinde hareketli küreler halindedirler. Bazı proteinler iki tabakalı bir lipid tabakasından diğerine kadar uzanırken, bazılan da daha küçük olup, zann herbir tarafındaki fosfolipid molekülleri arasına gömülmüşlerdir. Üçüncü molekül tipi olan karbohidratlann da zann yapısının bir parçası olduğu bulunmuştur. Karbohidratlar, membranm



dış tarafındaki proteinlere veya lipidlere bağlıdırlar.



Bu durumda



glikoprotein veya glikolipidlerden bahsedilir. Fosfat grubu ihtiva eden hidrofilik başlar



Fosfolipidlerin hidrofobik kısımları



hidrofobik kısımları



Protein moleküllerinin hidrofilik (polar) kısımları



Şekil O P 5.1. Sıvı mozayik modeline göre zann yapısı



Bu üç



temel molekül tipinin her biri, hücrenin aktif olarak çalışmasında



önemli rol oynar. Fosfolipidlerin hidrofilik başlan zar yüzeyinde, hidrofobik kuyruklan



76 ise iç kısımda yer alır. Ayrıca zar üzerinde lipid moleküllerinin hareket etmesiyle oluşan porlar (delikler) mevcuttur._____________________________________________________



Kolaylaştırılmış Difttzyon Difıizyonla iyonların hücreye girişi daha çok transport proteinleri olarak adlandırılan moleküllerle gerçekleştirilir. Kolaylaştırılmış difiizyon terimi içeriye alınan iyonların desteklendiğini ve alınımmın hızlandırıldığını ifade etmek için kullanılmıştır. Kolaylaştırılmış difüzyonda iyonların yönü, yüksüz suda çözünen bileşikler için konsantrasyon gradiyentiyle, iyonlar için ise elektrokimyasal gradiyentle belirlenir. Transport proteinleri, taşıyıcı proteinler ve kanal proteinleri olmak üzere ikiye ayrılabilir. Taşıyıcı proteinler suda çözünen bir maddeyi, enzimsubstrat mekanizması ile taşırlar. Kanal proteinleri ise membran boyunca uzanan ve su dolu yüklü bir yapıya sahiptirler. Bu kanallar, kanala geçirgen olan iyon ismi ile anılırlar. Bitki hücrelerinin zarlarında keşfedilen iyon kanalları gittikçe artmaktadır. Örneğin K \ C1 ve Ca2* kanalları ve organik iyon kanalları bitkilerde keşfedilmiştir. Kanal proteinleri bir kapı görevi yaparak açık veya kapalı olabilir. Kanalın kapısı açık olduğu zaman uygun boyutta ve yükteki maddeler buradan geçebilirler. Bazı kanalların kapısı membran potansiyeline cevap olarak açılabilir. Diğerleri ise ancak bir iyonun varlığında açılır; ışık, hormon ve diğer uyarıcılar tarafından kontrol edilir. Kanal kapılarının açılma-kapanma mekanizması kanalları oluşturan proteinlerin konformasyonlannda, 3-boyutlu şekillerindeki değişimlerle ilgili olduğu tahmin edilmekle beraber, bu olayın mekanizması tam olarak bilinmemektedir. Taşıyıcı proteinlerin önemi onların daha çok spesifik olarak suda çözünebilen maddeleri taşımasından kaynaklanır. Kanal proteinlerinin önemi ise çözünen bileşiklerin (özellikle yüklü bileşikler ve iyonlar) çok yüksek oranlarda ve hızlı bir şekilde zarlardan taşınmasına neden olmalarından kaynaklanır. Örneğin bir taşıyıcı protein saniyede 104 -105 çözünen molekülü taşırken, bir kanal proteini saniyede 108 iyonu geçirir. Stomaların kapanması esnasında K+ kanallarından, stoma hücrelerinden çıkan K+ iyonu sayısı saniyede 107 olarak tahmin edilmiştir. Kolaylaştırılmış difiizyon, basit difüzyona benzer olarak iki yönlüdür. Membranda meydana gelen hareketin hızı her iki yönde aynı olduğu zaman, maddelerin net hareketi durur.



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMl VE



77



7



OKUMA PARÇASI 5.2. M ADDELERİN ZARDAN GEÇİŞİ Akışkan Mozayik Modeline göre maddeler 3 şekilde zardan alınırlar:



Pasif difüzyon Bilindiği gibi hücre zan, lipidde çözünebilen moleküllerin geçişine izin verirken lipidde çözünemeyen moleküllerin geçişini engeller. Pasif difıizyon, lipidde çözünebilen moleküllerin yüksek konsantrasyonlu bölgeden daha düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru gerçekleşen zarlardaki hareketine denir. Bunun için herhangi bir enerji harcanması söz konusu değildir.



Kolaylaştırılmış difüzyon Eğer zarlar hücreye alınacak veya hücreden verilecek bir moleküle engel teşkil ediyorsa (lipidde çözünmeyen moleküller), bu özelliğe sahip moleküllerin zardan geçişi kolaylaştırılmış difüzyonla gerçekleşir.



Kolaylaştın İmiş difüzyon, zann



her iki



kısmındaki moleküllerin bu yoğunluk gradientine bağlı olup, bu olay zar proteinlerinin yardımıyla başanlır. Söz konusu bu proteinler p erm eazlar



veya p erm e a b ilite y i



artıran enzimler olarak adlandınlır (Şekil OP 5.2). D IŞ Taşınacak . madde



Taşıyıcı protein (permeaz)



• A



B



C



D



ÎÇ E



Şekil O P 5.2. Kolaylaştmlmış difüzyon A: Taşınacak madde ve taşıyıcı protein (permeaz), B: Taşınacak madde ve taşıyıcı protein ile birleşir, C: Taşıyıcı - taşınan madde kompleksi zann iç kısmına yönelir, D: Taşınan madde iç kısma bırakılır ve E: Taşıyıcı protein ilk şeklini alır ve yeni bir madde taşıyabilecek pozisyonuna döner.



Kolaylaştmlmış moleküller



yüksek



di füzyonda



konsantrasyonlu



da eneıji olduklan



harcanması



söz



kısımdan,



düşük



konusu



olmayıp,



konsantrasyonlu



olduklan kısma doğru taşınırlar. Kolaylaştmlmış difüzyonla hareket eden moleküller şeker gibi yağda çözünemeyen moleküllerdir. Bu difüzyon şeklinin cereyan ediş şekli tam olarak bilinmemekle birlikte substratın (taşınacak madde) taşıyıcı proteine



78 (permeaz) uygun düşmesi halinde bu protein molekülünün şeklinin değiştiği yolunda fikirler mevcuttur. Zira sıvı mozayik modeline göre



membran proteinlerinin yapısı



büyük ölçüde spesifiklik gösterir. Bu proteinler tıpkı enzimler gibi iş görürler ve taşınım olayında sadece kendi yapılarına uyan substratla kompleks oluştururlar. Bunun mekanizması aşağıda şekil üzerinde izah edilmiştir.



Aktif transport (taşınım) Aktif taşınım da kolaylaştırılmış difüzyona benzer. Farklı olarak aktif transportta metabolik eneıjiye ihtiyaç duyulur. ATP, taşıyıcı proteinin (permeaz) substratla kompleks oluşturmasında aktivasyon görevi görür. Substrat membran içine taşınıp karşı tarafa bırakılır ve permeaz eski pozisyonuna döner (Şekil OP 5.3). Aktif transport, bir konsantrasyon



gradiyentine



karşı



yani



düşük



konsantrasyondan



daha



yüksek



konsantrasyona doğru moleküllerin taşınımını sağlayabilir. Ayrıca bu taşınım normalde hücreden ayrılacak olan gerekli iyon ve moleküllerin hücrede birikmesine imkan verir. Örneğin Na+ ve K+ iyonlan bu yolla aktif olarak taşınırlar.



D IŞ



Taşınacak maddeler Taşıyıcı protein protein_s (permeaz)



v J w



/S



^



> no



• A



B



C



İÇ D



E



Şekil OP 5.3. Aktif taşınım. A: Taşıyıcı protein, ATP'nin etkisi ile aktifleştirilir, B: Taşınacak madde ile birleşir, C: Taşıyıcı protein zarın iç kısmına doğru yönelir, D: Madde iç kısma bırakılır, E: Taşıyıcı protein taşınacak maddeleri hücre içine bıraktıktan sonra eski pozisyonuna geri döner.



A ktif İyon Traiısportu Bazı iyonların, özel taşıyıcı proteinler yardımıyla ve enerji harcanarak kök hücrelerinin zarlarında hareket ettikleri kaydedilmiştir. Hücre zarının geçirgen olmadığı bir iyon, zardaki bir protein birimine bağlanır ve zarı geçer. Bu protein, membran boyunca iyonları taşıyarak, iç kısma bırakır. İç kısma iyonun bırakılması için metabolik enerjiye ihtiyaç duyulur. Kolaylaştırılmış difüzyondan farklı olarak aktif transport ya hücrenin içine ya da dışına olmak



BÖLÜM S BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, AL1NIMI VE TAŞINIM1



79



üzere tek yönlüdür. Aktif transportla, çevresindeki çözünen madde miktarının çok düşük olması durumunda hücre içerisinde çözünen maddelerin birikmesi sağlanır. Diğer bir ifade ile bu tür taşımınla konsantrasyon ve elektrokimyasal gradiyentlere zıt olarak taşınım gerçekleşebilir. Bu model aynı zamanda, iyonların hücre içerisinde dış ortamdan, daha fazla nasıl birikebileceğini açıklayabilir. Aktif transport sistemleri genelde pompa olarak adlandırılır. Aktif transportu devam ettirmek için gerekli enerji, esas olarak ATP’nin hidrolizinden kaynaklanır. Bunun için zarlarda ATPaz-proton pompalan bulunur. Bu pompanın en önemli özelliği reversibil çalışmasıdır. Zarda çeşitli şekillerde oluşturulan proton gradiyentiyle (kloroplast ve mitokondrideki elektron taşınım sistemleri) ATP’nin sentezlenmesi sağlanır (kemiosmotik hipotez). Zar boyunca bir proton gradienti oluşturulacağı zaman ise ATP hidroliz enerjisi kullanılır. Bu şekildeki oluşan enerji, çeşitli suda çözünen maddelerin (katyon, anyonlar, amino asitler ve şekerlerin) aktif transportunda, sitoplazmik pH’nın düzenlenmesinde, stomaların açılıp-kapanmasmda, floemin yüklenmesi esnasında sakkarozun taşmımında ve oksin tarafından sağlanan hücre büyümesinde kullanılır. Proton taşımını sonucu oluşan potansiyel farklılığı, anyonları (örneğin C f ve malat) vakuole aktarır ve vakuol sitoplazmadan daha negatif bir duruma gelir. Bu elektrokimyasal proton gradiyenti yardımıyla katyonlar da (örneğin K+ veya Ca2+) vakuole aktarılabilir. Bu iyon hareketleri, stomanın açılıp-kapanmasına ve niktinasti hareketlerini kontrol eden özel motor hücrelerindeki turgor değişimlerine önemli katkılar sağlarlar. Aktif transport doğrudan metabolik enerji girişine ihtiyaç duyduğundan, oksijen ve solunum inhibitörlerine duyarlıdır. Örneğin iyon alınımı, su altındaki topraklarda ya da iyi havalandırılmayan düşük oksijene sahip topraklardaki köklerde azalır. Ayrıca siyanür ve 2,4-dinitrofenol varlığında iyon alınımınm azalması aktif iyon aliminim destekleyen diğer delillerdir. Aktif transportla ilgili taşıyıcıların en önemli özelliklerinden birisi, onların spesifıkliğidir. Taşıyacağı iyon için oldukça spesifik olan birkaç tip taşıyıcı mevcuttur. Hatta sodyum ve potasyum iyonlarının kimyasal özellikleri ve boyutları benzer olmakla birlikte, potasyum iyonu taşıyıcısı potasyum için oldukça spesifik olup, sodyuma ilgisi çok azdır. Benzer olarak köklerdeki klorür taşıyıcısı, benzer bir iyon olan florür için düşük bir ilgiye sahiptir. Bu spesifiklik etkin olmasına rağmen her iyon için de geçerli değildir. Örneğin potasyum



80



alımmı benzer bir iyon olan rubidyum, klorür alınımı bromür tarafından inhibe edilebilir. Bu olay, genel bir taşıyıcı için klorür ile bromür ve potasyum ile rubidyum arasındaki yarışı gösterir. Bununla birlikte ortamda Ca+2 bulunduğu zaman K+ ve Br+ almımının arttığı görülmüştür. Böylece toprak çözeltisindeki bir anyon ya da katyonun alınımı, başka bir iyon tarafından olumlu ya da olumsuz şekilde etkilenebilmektedir. Bu olumlu etki sinergistik etki, olumsuz etki antagonistik etki olarak isimlendirilir. İyonların alınımı ile ilgili olarak elektriksel yük etkisi de önemlidir. Bitki hücreleri üzerinde yapılan dikkatli ölçümler hücrelerin iç kısmında net bir negatif yükün olduğunu göstermiştir. Bu duruma kısmen negatif yüklü proteinler neden olmaktadır. Böylece hücre, dışa göre iç kısmı negatif olan minicik bir pile benzer. Bu elektriksel gradiyent farklılığından dolayı, pozitif yüklü bir iyonun hücreye hareket etme eğilimi artar, fakat negatif yüklü bir iyonun hareketi engellenir. Köklerin normal alınım özelliklerini devam ettirmesinde özellikle önemli olarak görülen bir iyon kalsiyumdur. Belirli bir zaman periyodunda kalsiyumun eksik olduğu kökler, iyonları alma yeteneklerini kaybederler. Açıkça kalsiyum, aktif transport sistemlerinin çalışması ve membranın yapısal özelliklerini devam ettirmesi için önemlidir. Kalsiyum yokluğunda hücre içerisinde biriken iyonlar hücre dışına bir konsantrasyon gradiyenti boyunca basit difıizyonla geçmeye başlarlar.



BİTKİ İÇERİSİNDE İYON HAREKETİ Köklerden alınarak daha önce belirtilen simplastik ve apoplastik yollarla ksileme kadar iletilen iyonlar, gövde boyunca taşınarak bitkinin üst kısımlarına ulaşır ve buradan da bitkinin çeşitli bölümlerine dağılırlar. Bitkide iyonların yukarıya taşınması genellikle ksilemle olduğu halde, kambiyum tarafından yanal bir taşınmanın da olduğu kaydedilmiştir. Ayrıca az da olsa iyonların her iki yönde floemde taşındıklarına ilişkin araştırma sonuçlan da vardır. Örneğin demir, kalsiyum ve bor gibi iyonlar ise floemde az miktarlarda taşınırlar. Görüldüğü gibi bitkilerde mineral elementlerin yukarıya, aşağıya, yanal ve bitkinin dışına doğru taşınımları olabilmektedir. Potasyum, magnezyum, fosfor, kükürt ve klorür gibi iyonlar bitkide etkili bir şekilde devrederler. Bu iyonlardan birisinin eksik olması durumunda söz konusu iyon, bitkinin diğer kısımlarından takviye edilir ve bu iyonun bitkideki dağılımı yeniden düzenlenir.



BÖLÜM S BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMI VE TAŞINIMI



81



Örneğin bitkideki magnezyum eksikliği durumunda, magnezyum iyonu yaşlı yapraklardan genç yapraklara doğru hareket eder. Bunun sonucu olarak magnezyum eksikliği semptomları (belirtileri) sadece yaşlı yapraklarda görülür. Aksine demir eksikliği olan bitkilerde ise ilk eksiklik belirtileri genç yapraklarda görülür. Diğer yandan, bitkide yaprak dökülmeden önce ve floem yoluyla bazı mineral elementlerin yaprağın dışına taşındıkları da görülmüştür.



FOLİAR İYON ALINIMI Bitkilerin yaprakları vasıtayla gerçekleştirdikleri iyon alınım şeklidir. Sucul bitkiler, iyon almımını doğrudan yaprak epidermis hücreleriyle yaparlar. Bu bitkilere ait epidermis hücrelerinin kutikula taşımamaları da bu olayda önemli rol oynar. Bununla birlikte karasal bitkiler, kutikula taşımalarına rağmen çeşitli iyonları yaprak yüzeyleri ile alabilirler. Yapraklara püskürtülen mineral maddelerin alımmında stomalar önemli rol oynar. Toprak yoluyla suni gübrelemede oluşacak kayıpları önlemek için, özellikle Fe, Zn, Cu ve Mn gibi çeşitli mineral elementlerin yapraklara püskürtme yoluyla verilmesi düşünülmüş ve bu konuda olumlu sonuçlar alınmıştır. Bitki yaprağına besin çözeltisi ince bir film halinde uygulandığında alınım hızlanır. Bu uygulama yüzey gerilimini azaltıcı maddelerle (örneğin Tween 80 gibi) yapılırsa daha etkili sonuçlar alınabilir. Foliar uygulamada başarılı sonuç almak için buharlaşmanın fazla olduğu sıcak saatler seçilmemelidir. Çünkü yaprak yüzeyinde biriken tuzlar yaprağın yanmasına neden olurlar. Bu problem düşük tuz ihtiva eden besin çözeltisi spreylerinin kullanılması, serin veya akşamleyin uygulama yapılmasıyla aşılabilir. Foliar uygulama hububat bitkilerinden özellikle buğday için oldukça önem taşımakta, özellikle azotlu foliar uygulamalar tohum proteinlerinin içeriğini artırmaktadır.



BİTKİ BESLENMESİNDE MİKROORGANİZMALARIN ROLÜ Bitki beslenmesi için mikroorganizmalar köklerle temas halinde bulunurlar. Bunun için mikroorganizmalar ya bitkiye köklerinden girerler yada kökün etrafındaki toprakta (rizosfer) bulunurlar. Mikroorganizmaların bu ilişkisinde bakteriler ve mantarlar (mikoriza) önemli rol oynarlar.



82



BAKTERİLER Çok büyük bir bakteri populasyonu, kök sistemi tarafından sağlanan enerji bakımından zengin besinleri (indirgen şekerler, çözünür amidler, amino asitler ve düşük molekül ağırlıklı bileşikler) kullanırlar. Bu nedenle bitki köklerinin etrafında fazla sayıda bakteri bulunur. Bu bakterilerin bir kısmı bitkiler için yararlı olabileceği gibi, diğer kısmı zararlı olabilir. Kökler tarafından en fazla salgılanan salgılardan birisi de musilajlardır. Musilajlar, henüz sekonder çeperi oluşmamış kök şapkası, genç epiderma ve kök tüyü hücreleri tarafından salgılanır. Musilaj, bakteriler tarafından kullanılır. Ayrıca musilajlar topraktaki mineral kolloidlere ve organik maddelere de bağlanabilirler. Bu meydana gelen kök salgısı, canlı ve ölü bakteriler ile toprak partikülleri karışımı musijel olarak adlandırılır. Bakteriler bitkinin beslenmesini nasıl etkiler? Bu soruya verilecek ilk cevap olarak, azot fıkse eden bakterilerin baklagil bitkilerine yaptıkları katkılar söylenebilir. Ayrıca toprakta azot formlarını, bitkilerin alabileceği forma dönüştüren toprak bakterileri de çok önemlidir. Bu konu daha sonraki bölümde (bak Bölüm 6) ayrıntılarıyla anlatılacaktır. Bunlara ilave olarak toprak bakterileri, fosforun suda çözünmeyen formlarını suda çözünebilen forma dönüştürme yeteneği ile fosfor almımına yardımcı olurlar. Bununla birlikte bakteriler, besin elementlerini daha kullanılabilir hale getirmek yerine daha çok besin alımmını artırırlar. Besin aliminim artırmak için bakteriler, köklerin büyümesini ve morfolojik yapısını etkilerler. Örneğin bakteriler, köklerin yoğun bir şekilde lateral büyümesini uyarırlar. Bu olay ilk olarak Proteaceae familyasında gözlendiğinden dolayı bu köklere proteoid kök adı verilmiştir. Bu tip köklerin birkaç bitki familyasında da olduğu bulunmuştur. Söz konusu köklerin, musijel içerisinde bakterilerin toplandığı alanlarda daha fazla uyarıldıkları görülmüştür. Proteoid köklerin, muhtemelen bakteriler tarafından üretilen IAA (indolasetik asit) ile oluşturulduğu tahmin edilmektedir. FUNGUSLAR (MİKORİZA) Birçok bitkinin topraktan mineral maddeleri alması, bitki kökleriyle sıkı bir ilişki içinde bulunan toprak funguslarmm mevcudiyetine bağlıdır. Bu fungal iplikçikler (hifler) çoğunlukla Basidiomycetes ve Ascomycetes mantarlarına ait olup, kök hücrelerinin kınında ya da hücre içerisinde bulunabilirler. Bu funguskök kompleksi mikoriza olarak adlandırılır.



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMI VE TAŞINIMI



83



Mikorizal funguslar, ektotrofik mikorizalar (ektomikoriza) ve endotrofık mikrorizalar (endomikoriza) olmak üzere ikiye ayrılır. Ektotrofik mikorizal funguslar, kökün korteks tabakası içerisine misellerinin bir kısmını sokarlar ve kökü kılıf gibi çevirirler (Şekil 5.2). Burada hifler korteks içerisine fazlaca girme yerine, bir ağ şeklinde (Hartig ağı) korteks hücrelerini kuşatırlar. Ektotrof mikorizal funguslar, gymnosperm ve odunsu angiosperm gibi ağaçsı türleri enfekte ederler.



Şekil 5.2. Ektotrofik mikorizal fungusların kökü enfekte etmesi (Taiz ve Zeiger) Endotrof mikorizalar, ektotrofik mikorizalardan farklı olarak, kökün etrafında tam bir kılıf oluşturmazlar. Bunun yerine kökün içerisine doğru ve kökten toprağa doğru uzanırlar (Şekil 5.3). Epidermis ve kök tüyünden köke giren hifler, sadece korteks hücrelerinin arasındaki alanlarda değil, korteks hücrelerine de girerek ilerlerler. Endotrofık mikorizaların en yaygın tipi vesikülağaç (arbuskular) benzeri mikorizalardır. Bu isim, hücreler içerisinde vesikül olarak adlandırılan yuvarlak yapıların ve arbuskul (cüce ağaç anlamındadır) olarak adlandırılan dallanmış yapıların oluşmasından kaynaklanır. Vesiküllerin ve arbuskulların, konukçu bitki ile mantar arasındaki besin transfer yerleri oldukları sanılmaktadır. Ayrıca kökün birkaç cm dışına miseller uzanabilir ve spor taşıyan yapılar oluşabilir (Şekil 5.3). Vesiküler-arbuskular mikorizalar Chenopodiaceae ve Cruciferae familyaları hariç otsu angiospermelere ait bütün türlerin köklerinde bulunurlar (Tinker ve Gildon 1983). Vesiküler-arbuskular



84



mikorizalar, fosfor alınımı ile çinko ve bakır gibi iz elementlerinin aliminim kolaylaştırırlar. Sanders ve Tinker (1971), bu tip mikorizaların mikorizasız bitkilere oranla fosfor alınımını 4 kat artırdığını gözlemişlerdir. Ektotrofık mikorizaların kök dışındaki miselleri fosfatı absorbe edebilir ve fosfat oluşumu için uygun bir ortam sağlarlar. Mikorizal ilişkiler, bitkilerin toprakla temasta olduğu alanlarda artar. Toprağa hiflerin yayılması toprağı daha kararlı yapar. Birçok bozkır (çöl) bitkileri mikoriza geliştirir ve muhtemelen mikoriza, köklerin mineral alınım ve su absorblama kapasitesini artırır (Şekil 5.2). Mikoriza, özellikle besinleri sınırlı olan topraklarda büyüyen bitkilerde mineral besinlerin köke girmesinde önemli rol oynar. Brezilya'nın yağmur ormanlarındaki fakirleşen topraklardaki bitkilerin aşırı derecede ve canlı büyüme durumları mikorizal ilişkilere bağlıdır. Fungal hifler, köklerden topraktaki çürüyen materyallere kadar uzanır. Fungus tarafından alınan mineraller, yağan yağmurlarla süzülmeksizin toprağa girmeden fungus yoluyla köklere verilirler. Kuzeybatı Amerika'da besince fakir kumlu toprak alanlarındaki bitkilerin canlı kalmaları için mikorizal faktörlere ihtiyaç vardır.



D ış miselyum



Korteks Kök



Şekil 5.3. Endotrof mikorizal (vesikül-arbuskular mikoriza) fungusların kökü enfekte etmesi (Taiz ve Zeiger)



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ,



VE TAŞINIMI



85



Mikorizal ilişkiler bazı ağaçların büyümesi için oldukça önemlidir. Özellikle çam ağaçlarında yaygın olarak bulunurlar. Zenginleştirilmiş besi ortamında (mikorizasız) hızlı bir büyüme gösteren beyaz çam fıdeleri, mikorizasız ve nispeten az besin maddesi ihtiva eden topraklara dikildiği zaman büyümeleri yavaşlamıştır. Bu çam fıdelerinin, mikoriza fungusları ile muamele edilmesiyle yeniden büyümeleri hızlanmıştır. Benzer olarak, çimlenen orkid tohumlarının, bu bitkiye özgü mikorizal fungusların olmadığı bir ortamda gelişemedikleri görülmüştür. Bu ortaklıkta mikoriza fungusu tarafından salınan asitlerin mineral iyon alınımını artırdığı tahmin edilmektedir. Funguslardan ayrılan hidrojen iyonları, katyonları toprak partiküllerine bağlar ve alınım için mineralleri daha uygun bir hale getirir. Bu mikorizal ilişki bir mutualizm olarak adlandırılır. Funguslar bitkinin iyon alınımını uyarırken, bitkiden karbohidrat ve amino asit gibi maddeleri alırlar. Ayrıca mikorizayı oluşturan konukçu bitki ile mantar arasında bir spesifiklik de vardır. Yani bir bitkide mikoriza oluşumuna katılan bir mantar, başka bir bitkide mikoriza oluşumu için başarılı olmayabilir.



MİNERAL MADDELERİN BİTKİDEKİ GÖREVLERİ Mineral maddelerin bitki hayatındaki fonksiyonları değişik olup, bu konuda sürekli araştırmalar yapılmaktadır. Bir elementin az bulunması veya çok bulunması bitkinin dış görünümünde ve iç yapısında bazı önemli belirtiler meydana getirir. Örneğin kalsiyum yokluğunda bitkilerin büyümeleri imkansızdır. Yine azot eksikliğinde, bitkide alt yapraklardan başlayan bir sararma görülür. Bu elementin fazlalığında ise bitkilerde aşırı bir vejetatif gelişme ortaya çıkar. Magnezyum eksikliğinde bitkinin alt yapraklarının tamamen sarardığı, yalnız yaprak damarlarının yeşil kaldığı, demir eksikliğinde genç yaprak ayasının tamamen sarı veya beyaz renkte, damarların yeşil renkte, yaşlı yaprakların ise normal görünüşte oldukları belirlenmiştir. Gerekli elementlerin bitki hayatında oynadıkları roller iki grupta incelenebilir. ELEM ENTLERİN BİTKİDEKİ GENEL GÖREVLERİ Bitkilerde mineraller genel olarak osmotik, yapısal ve biyokimyasal olmak üzere 3 önemli fonksiyona sahiptirler.



Osmotik Fonksiyon Çözeltilerdeki mineral iyonlar, çözeltinin su potansiyelini düşürürler. Bitkinin hücre içerisindeki mineral konsantrasyonu, toprakta ya da bitkiyi



86



kuşatan besin çözeltisinde aynı minerallerin konsantrasyonundan normal olarak 10 ile 1000 kez daha fazladır. Bu, hücre içerisinde su potansiyelinin düşmesine yol açar ve su bitkiye girer ve turgora neden olur. Turgor bitki hücrelerinin büyümesi için önemlidir. Bitki içerisindeki çözünür madde (mineral madde) içeriğinde lokal varyasyonların neden olduğu turgor değişimleri, bitkinin diğer fonksiyonları için de önemlidir. Örneğin stomalarm açılıp-kapanması, bu hücreler tarafından mineral iyonların kaybedilmesi ya da alınımının bir sonucu olarak stoma (kilit) hücrelerindeki turgor hareketiyle yerine getirilir. Yapısal Fonksiyon Eğer bitkinin esas kısmının karbon, hidrojen ve oksijen bileşenlerinden oluştuğu, aynı zamanda azot, fosfor ve kükürt gibi elementlerin nükleik asit, klorofil, enzimler ve koenzimler gibi anahtar organik bileşiklerin önemli bileşenleri olduğu göz önüne alınırsa mineral elementlerin yapısal rolü daha iyi anlaşılır. Kalsiyumun, bitki hücre çeperinin yapısal özelliklerini sürdürmede önemli olduğu düşünülmektedir. Ayrıca bu element hücre zarları için de önemlidir. Örneğin hücre zarı kalsiyum yokluğunda farklı permeabilite özelliklerini kaybeder ve hücrede kalan diğer maddeler dışarıya sızmaya başlar. Ayrıca fosfor da zar yapısı için önemlidir. Çünkü bütün hücre zarlarının en büyük kısmını fosfolipidler oluşturur. Biyokimyasal Fonksiyon Mineral besinlerin biyokimyasal rolleri çok çeşitlidir. Birçok enzim, substrata etki etmek için bir katyona ihtiyaç duyar. Katyonlar kalsiyum (Ca+2) ve potasyum (K+) gibi pozitif yüklü mineral iyonlardır. Solunum metabolizmasıyla ilgili birçok enzim, aktif olmak için kofaktör olarak potasyum ya da magnezyuma (Mg+2) ihtiyaç duyar. Diğer enzimler demir (Fe+3), bakır (Cu+2), mangan (Mn+2)) ya da kalsiyum gibi kofaktörleri kullanırlar. Fosfat formundaki fosfor (H2PO4"), ATP'nin yüksek enerjili bağlarının oluşmasında önemli olup; sakkaroz, nişasta ve proteinleri içine alan birçok bileşiğin sentezi için gerekli enerjiyi sağlarlar. Fosfat ihtiva eden bileşikler, fotosentez ve solunum metabolizmasında da önemlidirler. ELEM ENTLERİN BİTKİDEKİ ÖZEL GÖREVLERİ Bitkilerde C, H ve O karbohidratların ve diğer tüm organik maddelerin yapı taşı olmaları nedeniyle büyük önem taşırlar. Diğer elementlerin bitkideki görevleri Bölüm l ’deki Tablo 1.2'de ve aşağıda özetlenmiştir:



,



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ ALINIMI VE TAŞINIMI



87



Azot Azotun en önemli rolü, amino asit ve proteinlerin yapı taşı oluşudur. Ayrıca RNA ve DNA’nm yapı taşı olan pürin ve pirimidinler yanında, porfırinler (klorofil gibi) ve koenzimler gibi metabolizma için çok önemli bileşiklerin yapısında bulunurlar. Fosfor Fosfor (fosfat olarak) nükleik asitlerin, şeker-fosfatlarm, fosfolipidlerin, NAD ve NADP'nin ve en önemlisi ATP’nin yapı taşıdır. Özellikle hızlı büyüyen meristematik bölgelerde bol bulunur ve burada nükleoproteinlerin sentezinde rol oynar. Bu açılardan hücrede enerji gerektiren olaylarda, temelde ATP enerjisinden yararlanılır. Fosfolipidler ise hücre zarının temel yapıtaşıdır. NAD ve NADP koenzimleri ise, fotosentez, solunum ve yağ asitleri sentezi gibi temel biyolojik olaylarda oksidasyon-redüksiyon olaylarını düzenlerler. Kükürt Proteinlerin yapısına katılan sistein ve metionin gibi aminoasitlerin yapısında bulunan kükürt, protein zincirinde disülfit bağlarının oluşumuna neden olur. Bunun sonucunda proteinlerin 3-boyutlu yapısı oluşur. Solunum ve yağ asidi metabolizmasında önemli bir bileşik olan koenzim A ve biyotin, tiamin vitaminlerinin yapısında bulunur. Ayrıca demir-kükürt proteinleri azot fiksasyonu ve fotosentezin elektron taşmımmda önemli rol oynarlar. Diğer taraftan kükürt ihtiva eden tiyosiyanat ve izosiyanatlar (hardal yağı), hardal, lahana, turp ve diğer Cruciferae familyası bitkilerinin belirgin kokusunu oluşturur. Bu hardal yağları, Cruciferae türlerinin böcek herbivorlarma karşı bir savunucu olarak rol oynarlar. Kalsiyum Kalsiyumun hücre bölünmesinde iki önemli rolü vardır. Birincisi hücre bölünmesi esnasında mitotik ipliklerin oluşumundaki rolüdür. Diğeri ise bölünen iki kardeş hücre arasındaki hücre plağının orta lamelindeki kalsiyumpektatları oluşturmasıdır. Kalsiyum eksikliğinde mitoz bölünme normal olarak ceryan edemez. Kalsiyumun hücre zarlarının ve lipid yapılarının oluşumunda önemli rolü vardır. Ayrıca belirli hormonal ve çevresel cevaplarda sekonder bir aracı olarak rol oynar. Aynı zamanda kalsiyum, arginin kinaz, adenil kinaz ve ATPaz



gibi



enzimlerin



aktivatörüdür.



Kalsiyum



eksikliğinde



bitkide



karbohidrat taşınımı yavaşlar. Bu elementin yokluğunda ise kök ve gövde



88



uçlarındaki meristematik dokular canlılığını kaybettiğinden, bu organlarda büyüme durur ve bitkiler bodur kalır. Potasyum Potasyum hayvan hücrelerindeki sodyuma benzer olarak bitki hücrelerinin osmotik potansiyellerinin düzenlenmesinde (osmoregülasyon) önemli rol oynar. Potasyum iyonu, stomaların açılıp-kapanmasında, uyku hareketlerinde, yaprakların konumlarının değişmesi gibi bitki hareketlerinde rol oynayan önemli bir faktördür. Diğer fonksiyonları ise enzimlerin aktivatörü olarak rol oynamasıdır. Bitkide en yüksek potasyum miktarı meristematik bölgelerde bulunduğundan, bu elementin peptid bağlarının oluşumunda rol oynayan enzimlerin aktivatörü olarak iş gördüğü düşünülmektedir. Ayrıca potasyumun, karbohidrat metabolizmasında iş gören bazı enzimlerin aktivatörü olduğu ileri sürülmüştür. Çünkü potasyum yokluğunda bitkilerdeki karbohidrat metabolizması da düzensizleşir ve böylece bitkilerde fazlaca karbohidratın depo edildiği görülür. Bunun nedeni, potasyum yokluğunda normal olarak protein sentezi yapılamadığından, protein molekülü yapısına girecek olan karbonlar, karbohidrat moleküllerinin yapısına girerler. M agnezyum Klorofilin yapısını oluşturan porfirin halkasının merkezinde yeralır. Karbohidrat metabolizmasında ve nükleik asit sentezinde rol alan enzimlerin çoğunun aktivatörüdür. Magnezyum iyonları, fotosentezin karbon fıksasyon safhasında rol alan ribulozdifosfat karboksilaz ve fosfoenol pirüvat karboksilaz enzimlerinin aktivatörüdür. Ayrıca magnezyum ribozom yapısının kararlılık kazanmasında rol oynar. Demir Demir, bitkiler tarafından ferrik (Fe3+) veya ferrous (Fe2+)formlarında alınabilmekle birlikte, bitkiler daha çok çözünebilir olan Fe2+ formunu tercih ederler. Fe2+ formu, klorofilin sentezinde önemli rol oynar. Eksikliğinde klorozis (klorofil parçalanması) görülür. Demir, sitokrom oksidaz, katalaz ve peroksidaz gibi çeşitli enzimlerin aktivatörüdür. Solunum, fotosentez ve azot fıksasyonu ile ilgili hem grubu ihtiva eden sitokromların ve hem grubu ihtiva etmeyen demir-kükürt proteinlerinin (örneğin ferrodoksin, nitrogenaz) yapısına katılırlar. Ferrik formundaki demirin topraktan alınabilmesi için iki mekanizma vardır. Birincisi bitki kökleri tarafından rizosfere (kökün çevresi) bazı fenolik



BÖLÜM S BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ, ALINIMI VE TAŞINIMI



89



asitlerin (örneğin kafeik asit) salgılanması ve bu asitlerin doğal şelate edici ajan olarak görev yapmasıyla demirin kök hücrelerine alınmasıdır. Şelate edilmişFe3+ kompleksi, kök epidermis hücrelerinde bulunan redüktaz enzimiyle Fe2+ formuna dönüştürülür. İkincisi bitkinin kökleri tarafından rizosfere salgılanan ve fitosiderofor (siderofor, Latincede demir taşıyıcısı; fıto, bitki anlamındadır) olarak adlandırılan düşük molekül ağırlıklı demir bağlayıcı ligandlarla (avenik asit ve mugenik asit gibi) alınmasıdır. Burada demir, Fe2+ formuna dönüştürülerek kökler tarafından alınır. Fitosideroforlar çok yeni bir alan olup, Gramineae familyası türlerinde bulunmuşlardır (Römheld ve Marscher, 1986). M angan Solunum ve azot metabolizmasını düzenleyen enzimlerin aktive edilmesi için gereklidir. Özellikle Krebs çemberi reaksiyonlarında en belirgin rolü oynayan elementlerden biridir. Ayrıca nitrat indirgenmesinde iş gören nitrit redüktaz ve hidroksilamin redüktaz enzimlerinin aktivatörüdür. Fotosentezde Hill reaksiyonunun oluşumu da mangan varlığında (mangan-protein kompleksi) gerçekleşmektedir. Burada oksijen açığa çıkaran kompleksin en önemli kısmını, mangan-protein kompleksi oluşturur. Bakır İyi havalanmış topraklarda, bitkiler için bakırın kullanılabilir formu Cu2+ dır. Cu2+ toprağın organik kısmındaki humik asit ile bir şelat oluşturur. Az oksijenli nemli topraklarda Cu2+, kararsız olan Cu+ formuna dönüşür. Fotosentetik elektron akseptörü olan plastosiyanin, sitokrom oksidaz, askorbik asit oksidaz gibi redoks enzimlerinin kofaktör olarak bileşimlerine katılmasıdır. Meyvelerin esmerleşmesine neden olan polifenol oksidaz (fenolaz) bakır ihtiva eder ve enzimin aktivitesinde rol oynar. Superoksit radikallerinin (O2') parçalanmasını sağlayan superoksit dismutaz enzimi diğer bir bakır ihtiva eden enzimdir. Bor Borun, belirli bir enzimle ilişkisi veya belirli bir enzimi aktive etmesi konularında herhangi bir delil yoktur. Hücredeki toplam borun en büyük kısmı hücre çeperinde bulunur. Bu nedenle borun hücre çeperinin yapısal düzeninden sorumlu olduğu zannedilmektedir. Bor eksikliği çalışmalarıyla, borun hücre bölünmesi ve hücrenin uzamasında rolü olduğu gösterilmiştir. Bu rolü yerine getirmede hormon veya nukleik asit metabolizmasını uyardığı zannedilmektedir. Ayrıca borun polen tüpü çimlenmesini ve uzamasını uyardığı



90



da bilinmektedir. Karbohidrat taşınımında, azot, fosfor ve hormon mekanizmaları, aktif tuz alınımı ve fotosentezde de rolü olduğu belirtilmiştir. M olibden Havanın azotunun bağlanmasında ve nitrat asimilasyonunda rol oynar. Molibden, azotun fıksasyonunu sağlayan nitrogenaz ve nitratı nitrite indirgeyen nitrat redüktaz enzimlerinin kofaktörüdür. Askorbik asit sentezinde ve fosfor metabolizmasında molibdenin etkili olduğu bildirilmiştir. Çinko Bitkisel hormonlardan indolasetik asitin öncül maddesi olan triptofandan sentezlenmesinde rol oynar. Ayrıca çinko, asetaldehitin etil alkole dönüşmesini sağlayan alkol dehidrogenaz, karbondioksitin bikarbonata hidrasyonunu sağlayan karbonik anhidraz, bakır ile birlikte superoksit dismutaz enzimlerinin aktivatörleridir. Protein sentezinde çinkonun önemli rolü olduğu belirlenmiştir. Klor Klorun son yıllarda bitkiler için gerekli bir mikroelement olduğu belirlenmiştir. Yaprak ve gövdedeki hücre bölünmesi için klorun gerekli olduğu kaydedilmiştir. Bu elementin fotosentez olayında, fotosistem II de sudan klorofile elektron taşımınım hızlandırdığı ve mangan ile birlikte oksijen açığa çıkaran kompleksin yapısında yer aldığı gösterilmiştir. Ancak klor eksikliği olan bitkilerde kök uçlarının şişkinleşip kalınlaşması, bunun bitkilerde başka işlevleri olduğunu da göstermektedir. Nikel Nikel son yıllarda esensiyel besin elementleri listesine eklenmiştir (Dalton ve ark., 1988). En bol bulunan metalik elementlerden birisidir ve kökler tarafından alınır. Nikele, bitkiler çok çok düşük konsantrasyonlarda ihtiyaç duyarlar. Nikel, üreaz ve hidrogenaz enzimlerinin bir bileşenidir. Üreaz bitkilerde yaygın olarak bulunur ve üreyi, karbondioksit ve amonyağa parçalar. Çimlenme ve erken fide büyümesi esnasında azotun hareketinde üreaz ve dolayısıyla nikel önemli rol oynar. Bazı baklagillerdeki hareketli azotun genel bir şekli, üreidler (allantoik asit ve sitrullin) olarak bilinen üre temeline dayanan bir bileşik grubudur. Üreidlerin yıkılmasıyla üre oluşur. Ni eksikliği olan bitkilerde üre parçalanmadığından dolayı toksik seviyelerde birikebilir. Hidrogenaz ise bazı azot fikse eden bitkilerde ihtiyaç duyulan hidrojenin oluşumunu sağlar. Ni eksikliği durumunda bu enzim de çalışamaz.



BÖLÜM 5 BİTKİLERİN MİNERAL BESLENMESİ,



VE TAŞINIMI



91



TOPRAK GÜBRELERİ Toprakta tabii olarak mevcut olan mineraller esas olarak kayaların aşınmasından ve çözünmesinden kaynaklanır. Bu olay, yağmur suyu, akarsu, eriyen karların kayalardaki mineralleri kademeli olarak çözmesiyle sağlanır. Toprakların zirai amaçlar için tekrar tekrar kullanılmasıyla, ihtiva ettiği mineral maddeler hızlı bir şekilde uzaklaşırlar. Sonuç olarak, karaların yoğun zirai kullanımını desteklemek için mineraller gübre formunda toprağa ilave edilmelidir. Bitki büyümesi için çok sınırlayıcı toprak besinleri azot (N), fosfor (P) ve potasyum (K) dur. Böylece bu üç elementi ihtiva eden gübreler tam gübre olarak adlandırılır. Tam gübre paketlerinin üzerinde her bir gübrenin miktarı 3 rakamla (örneğin 10- 15- 30) belirtilir. Bu rakamlar elementlerin ağırlığını ifade eder. Bunlar azotun, fosforun (fosfor pentoksit, P2O5) ve potasyumun (potasyum oksit, K2O) yüzde ağırlığıdır. Böylece üzerinde 10- 1530 olarak yazılan 100 Kg’lık bir tam gübre çuvalında, 10 Kg elemental azot, 15 Kg fosfor pentoksitteki fosfor ve 30 Kg potasyum oksitteki potasyum miktarları ifade edilir. Ahır atıkları, ürün atıkları kompostu ve balık atıkları gibi organik gübreler kullanılması düşünülüyorsa, belirli bir zamanın geçmesi gerekir. Bu tip gübrelerin uygulanması, toprağın yapısını zenginleştirme, su tutma kapasitesini artırma ve yağmurlar esnasında besinleri tutma gibi avantajlara sahiptir. Günümüzde uygulanan gübrelerin çoğu inorganiktir. Gübrenin inorganik ya da kimyasal formları, bitkiler tarafından alınmakta ve bitkinin besin ihtiyacını karşılamaktadır. İnorganik gübrelerin kullanılması ve uygulanması, organik gübrelerden daha kolaydır. Organik gübrelerin yerine inorganik gübrelerin kullanılmasının en büyük dezavantajı, toprağın inorganik ve humus içeriğindeki tedrici azalma ve sonuç olarak uygun toprak yapısının bozulmasıdır. Bu bozulma, tarlalardan ürün atıklarını kaldırmaksızın her yıl bu atıkların toprakla birlikte sürülmesiyle kısmen engellenebilir. Gübreler, katı, sıvı ve gaz formunda uygulanabilir. Örneğin azot, toprağa amonyak gazının püskürtülmesi ile de verilebilir. Çünkü amonyak havadan daha ağır bir gaz olduğundan toprak üzerine çökelir. Burada toprak suyu ile reaksiyona girerek çözünür ve amonyum iyonlarını (NH4+) meydana getirir. Gübrelerin çoğunluğu ise katı formda uygulanır. Katı gübrelerin uygulanması, gübreyi toprağa karıştırmakla veya toprak yüzeyine serpmek suretiyle yapılır. Suda çözünen gübreler ise, suda çözündükten sonra veya sulama suyuna



92



karıştırılarak uygulanabilir. Bazı suda çözünebilir gübreler, bitkilerin yapraklarına direkt olarak püskürtülebilir. Bu konu foliar iyon alınımı başlığı altında anlatılmıştır. Gübrenin etkinlik süresi gübrelerin katılıkları ile ilgilidir. Toprak suyunda çözünen gübreler (örneğin nitratlar) toprak içerisinde hızla sızma eğilimindedir. Bu tip gübrelerin uygulama etkisi çok kısa sürelidir. Bu konuda söz konusu gübre uygulamasının etki süresini uzatmak için, yavaşça serbest hale geçebilen gübre formları geliştirme gayretleri vardır. Örneğin ürealar (sentetik bir organik azot formu) toprakta kademeli kimyasal değişimler geçirirler ve kullanılabilir azot formunun oluşması uzun bir zaman alır. Diğer tip gübrelerin ise partikül boyutlarının artırılmasıyla veya yavaş çözünme özelliklerine sahip kimyasal formlarının elde edilmesiyle etki süreleri uzatılabilir. Bazı gübreler ise plastik kaplanmış kapsüller içerisinde hazırlanmaktadır. Bu plastik kapsüller besinlerin toprağa kademeli geçişine izin verirler. Böylece besin kullanılma periyodu uzatılır ve yağmur suyu sızıntısıyla neden olunan besin kaybı minimuma indirilir. Tabii organik gübreler, besinleri yavaşça bırakma eğilimindedir. Böylece bitki için daha uzun süreli besin katkısı sağlarlar.



BOLUM O



BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU Yüksek bitkiler ototrofık organizmalar olup çevrelerindeki inorganik besinlerden yapılarında bulunan bileşikleri sentezleme kapasitesindedirler. Birçok mineral madde bitki tarafından alınarak büyüme ve gelişme için önemli olan karbon iskeletlerine bağlanır. İşte mineral besinlerin bu şekilde karboohidratlara, lipitlere ve aminoasitlere dönüşümü besin asimilasyonu olarak adlandırılır. Bazı besinler için asimilasyon olayı çok kompleks biyokimyasal reaksiyonlara ihtiyaç duyar. Örneğin nitrat (N 03) ilk olarak amonyağa (NH3) indirgenir. Sonra enzimatik birçok kademeden geçerek aminoasitlerin yapısına katılır. Diğer besinler, özellikle makrobesin ve mikrobesin katyonları organik bileşiklerle kompleksler oluşturarak asimile edilirler. Bu bölümde azot asimilasyonu esas alınarak, bazı mineral besin asimilasyonlarından (azot, kükürt, fosfat, oksijen ve katyonlar) bahsedilecektir.



BİTKİLERDE AZOT KULLANIMI Azot, bitki beslenmesinde çok önemlidir. Azotun bu önemliliği yüksek bitki hücrelerinde daha bol bulunan hidrojen, karbon ve oksijenden kaynaklanmaktadır. Azot, hücredeki birçok bileşiğin yapısında bulunan anahtar bir elementtir. Örneğin nükleik asitleri oluşturan nükleik asit fosfatların ve proteinleri oluşturan aminoasitlerin yapısında bulunur. Ayrıca azot, bazı vitaminlerin ve klorofilin yapısına da katılır. Optimum bir büyüme için azota nispeten yüksek miktarlarda gereklilik duyulur ve azot kullanılabilirliği büyümeyi sınırlandıran önemli bir faktördür. Havanın yüksek oranda azot ihtiva etmesi (yaklaşık % 78-80), başlangıçta bitki büyümesi için azot kullanımının sınırlı olmasının mümkün olmayacağı



94



tahminini akla getirir. Diğer taraftan bir hektarlık kara parçasının 80 milyon kg azot ihtiva ettiği (havadan daha yüksek) tahmin edilmektedir. Bu yüzyılın ilk yarısına kadar, bitkiler için azot gübresi ihtiyacı, madencilikten arda kalan sodyum nitrattan (NaN03) sağlanıyordu. Daha sonra bu kaynağın azalmasıyla, yağ ve doğal gazdan türevlenen hidrojen ile azotun reaksiyona girmesiyle endüstriyel amonyak üretimi artmıştır. Bu yolla yılda 50 milyon ton amonyak üretmek mümkündür. Oldukça pahalı olan bu üretimde, enerji kaynağı olarak fosil yakıtları kullanılır. Bu kaynakların azalması sonucu üretim de azalacaktır.



AZOT ASİMİLASYONU Azot biyosferde birçok formda bulunur. Atmosferde, moleküler azot (N2, dinitrojen) formundadır. Bunun çok büyük bir kısmı bitkilerin doğrudan kullanabileceği azot formunda değildir. Atmosferde bulunan azot, 2 azot atomu arasında 3 kovalent bağ (N=N) ihtiva eder. Azotun alınabilmesi için bu bağların koparılması gerekir. Yüksek bitkiler doğrudan doğruya bu reaksiyonu yürütebilecek kapasiteye sahip değillerdir. Yüksek bitkiler ancak nitrat ve amonyak formundaki azotu asimde edebilirler. Hayvanlar tarafından bitkilerin tüketilmesi azotun bir besin zincirine katılmasını sağlar ve hayvanlar tarafından alınan azot hayvanların ölmesiyle ya da bitkilerin parçalanması ve çürümesiyle toprağa geri döner. Bu proses çok geniş olan azot devrinin bir kısmını ihtiva etmektedir. Moleküler azotun amonyak ve nitrat gibi diğer formlara dönüşmesi azot fiksasyonu olarak adlandırılır. Bu olay tabii olarak sağlanabileceği gibi, endüstriyel proseslerle de sağlanabilir. Örneğin yüksek sıcaklık (-200 °C) ve yüksek basınç (-200 Atmosfer) koşullarında moleküler azot, amonyum oluşturmak üzere hidrojenle birleşebilir. Bu aşırı şartlar reaksiyonun çok yüksek olan aktivasyon enerjisini aşmak için gereklidir. Bu reaksiyon Haber prosesi olarak adlandırılır ve bu reaksiyon endüstriyel ve çeşitli zirai ürünlerin üretiminde bir başlangıç noktasıdır. Dünyadaki endüstriyel azot fiksasyonu yıllık olarak 50 milyon ton civarındadır. Bu miktar her yıl atmosferik havuzdan alınan global azotun yaklaşık % 12’sine eşittir. Azot fıksasyonunun büyük kısmını tabii olaylar sağlar. Dalwiche (1983) fıkse edilen toplam N miktarının yaklaşık % 10’unun şimşeğin bir sonucu olduğunu açıklamıştır. Azot fıksasyonunun küçük bir kısmı stratosferde ozon ve



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



95



nitrik oksit gazlarının fotokimyasal reaksiyonları sonucunda meydana gelir. Bu yolla oluşan nitrik asit daha düşük atmosfer tabakalarına kademeli olarak aktarılır ve yağmurlarla yeryüzüne ulaştırılır. Tabii olaylarla kazanılan azotun geri kalan % 90T mikroorganizmaların faaliyeti ile fıkse edilir ve bu olay biyolojik azot fiksasyonu olarak adlandırılır. Bu organizmalar moleküler azotla ilgili kimyasal reaksiyonları katalizleyebilen enzim sistemleri ihtiva ederler. Ziraat açısından baktığımızda biyolojik azot fiksasyonu toprak azotunun en önemli kaynağıdır. Nitekim dünya üzerinde zirai üretimdeki azot talebinin kimyasal gübrelerin kullanılmasıyla karşılanamayacağı ileri sürülmüştür. SERBEST VE SİM BİYOTİK BAKTERİLERLE BİYOLOJİK AZOT FİKSASYONU Atmosferik azotu fikse edebilen hiçbir yüksek bitki bilinmemesine rağmen, bu kapasiteye sahip olan birçok bakteri bilinmektedir. Azot fikse eden bakteriler ya serbest yaşayan mikroorganizmalar şeklinde ya da yüksek bitkilerle (Leguminosae familyasında) simbiyotik ilişkiler içerisinde bulunurlar. Bu simbiyotik ilişkide bakteri tarafından fikse edilen azot, konukçu bitki tarafından diğer besinlerle değiştirilerek alınmaktadır. Böylece bakteriler, bitkiye azot kaynağı olarak havayı kullanma yeteneği kazandırırlar. Azot fiksasyonu yaptığı bilinen bazı organizmaların listesi aşağıdaki tabloda (Tablo 6.1) verilmiştir. Tablo 6,1. Azot Fiksasyonu Yapan Mikroorganizmalara Ait Bazı Örnekler S im b iy o tik A zo t F ik sa sy o n u Leguminosae bitkileri, P a ra sp o n ia = R h izobium , B radyrh izobiu m Kızılağaç ( C eon oth u s ), C asuarin a - Frankia (Actinomycetes) Tropikal çimler -A zo sp iru llu m (Actinomycetes) A zolla (su eğreltisi) = A n abaen a S im b iy o tik O lm a y a n A zo t F ik sa sy o n u Cyanobacteria (mavi-yeşil algler): N o sto c , A n a b a en a , C alothrix gibi



Diğer bakteriler Aerobik: A zo to b a c te r , B eijerin ck ia , D erxia Fakültatif: B acillu s, K leb sie lla Anaerobik Fotosentetik olmayanlar: C lostridium , M eth an ococcu s Fotosentetik olanlar : R h odospiru llu m , Chrom atium __________________________



96



Rhizobiumlann Köklere Bağlanması Bitki kökleri azot tikse eden bakterilerin simbiyotik ilişkisi nodül olarak adlandırılan çok hücreli yapılarda meydana gelir. Bu nodüller Rhizobium cinsinin azot fikse eden gram negatif bakterileri ile konukçu bitki köklerinin enfeksiyonu sonucu meydana getirilir. Baklagil familyası (Fabaceae = Leguminosae) bitkileri sadece Rhizobium’larla azot fıkse ede oluşturma kapasitesindedirler (tropikal bir ağaç olan Parasponia cinsi bir istisnadır). Rhizobiumlarlaazot fıkse edebilme kapasitesinde olan baklagiller, tropiklerden kutuplara kadar çok geniş bir yayılış gösteren üç büyük Angiosperm familyasından biridir. Rhizobium türlerinin enfeksiyonu farklı konukçu bitkiler için spesifiklik gösterebilirler (Tablo 6.2). Tablo 6.2. Leguminosae Familyası Bitkilerinde Konukçu RJüzobium Türleri R h izo b iu m Türleri R. legum inosarum R. trifolii R. p h a se o li R. m eliloti R. ja p o n icu m



Tercih Edilen Konukçu Cinsler Pisum , Vicia (fiğ), Lens (mercimek), C ice r (nohut) Trifolium (üçgül) P h aseolu s (fasulye) M e d ica g o (yonca), M elilo tu s (taşyoncası) G lycin e (soya fasulyesi)



Bu tip konukçu seçimleri, Rhizobium türlerinin konukçu bitkiyi tanımasıyla sağlanır. Rhizobium toprakta serbest olarak yaşayabilir. Simbiyotik ilişkinin ilk oluşum aşamasında bu bakteriler, köklerin etrafını kuşatan alana yani rizosfere doğru hareket ederler. Bu bir kemotaksis cevaptır. Çünkü bu cevap, kökler tarafından üretilen bazı kimyasal maddeler (özellikle flavonoidler) tarafından sağlanmaktadır. baklagil kökleri tarafından bırakılan flavonoid bileşiklerini kullanma yeteneğindedirler ve nodülasyonla ilişkili genlerin pozitif regülatörleri olarak görev yaparlar. Rhizobiumlann soya fasulyesinin köklerindeki subepidermal hücre bölünmelerini uyaran salgı faktörleri olduklan düşünülmektedir. Kök üzerinde bölünen hücreler enfeksiyon için, hedef yerler oluşturarak kök tüyleri üzerinde toplanırlar. İlk olarak bakteriler konukçu bitkinin kök yüzeyindeki (rizosferde) kök tüylerine bağlanırlar. Bu bağlanma mekanizması henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Baklagil bitki köklerinin lektin olarak adlandırılan şeker bağlı proteinler (glikoprotein) salgıladıkları ileri sürülmüştür. Bu salgılar, Rhizobium



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



97



hücrelerinin yüzey polisakkaritleri ile ilişkiye girerek, kökün hücre çeperlerine bağlanmasını kolaylaştırırlar. Enfeksiyon İpliklerinin Oluşumu Enfeksiyon basamakları şekil (Şekil 6.1) üzerinde gösterilmiştir. Köke bağlanan Rhizobiumlar,halkalar içerisindeki Rhizobium kolonilerinin etrafa yayılması ile kök tüyü hücrelerinin kıvrılmasına neden olurlar. Kök tüyü kıvrılmasının bir bitki hormonu olan oksinin bakteri tarafından üretilmesi ile uyarıldığı düşünülmektedir. Kök tüyü hücre çeperleri bu bölümlerde bozulur ve bakteri hücrelerinin bitki plazma membranının dış yüzeyine geçişlerine doğrudan izin verilir. Bundan sonraki aşama enfeksiyon ipliği olarak adlandırılan önemli bir yapının oluşumuyla ilgilidir. Bu enfeksiyon ipliği, enfeksiyon yerinde Golgi türevi membran veziküllerinin birleşmesiyle oluşan plazma membranının uzaması ile başlar. Enfeksiyon iplikleri, mineralce zengin suların aşındırması sonucunda oluşan bir mağaranın tavanından aşağıya doğru asılan dikitlere benzer bir konumda gelişirler. Burada salgı vezikülleri enfeksiyon tüplerinin uç kısmına doğru sürekli olarak iletilerek bunların bitki içerisine girişi hızlandırılır. Bu membran tüpleri bitki içerisine doğru ilerledikçe ince bir selülozik hücre çeper meydana getirilir. Bu hücre çeperi, enfeksiyon ipliğinin iç yüzeyinde yer alır ve fiziksel olarak konukçu hücre çeperine bağlanır. Bu olay sonucunda enfeksiyon ipliği membranının iç yüzeyi, konukçu hücre plazma membranının dış yüzeyine eşit olur. Enfeksiyon ipliğinin büyümesi ekstraselülar kısımları işgal eden Rhizobiumlarm çoğalması ile yakından ilişkilidir. Enfeksiyon ipliğinin dallanması bakterilerin birçok hücreye dağılımını kolaylaştırır. Aynı zamanda epidermise yakın olan korteks hücreleri hızlı bir bölünme geçirir ve nodül oluşumu başlar. Enfeksiyon ipliği kök tüyü hücrelerinin tabanına ulaştığı zaman plazma membranı ile birleşir ve bakteriler apoplastik yüzeylere yayılırlar. Daha sonra enfeksiyon ipliği membranı konukçu hücre plazma membranı ile birleşir ve apoplastik yüzeydeki bakteriler bu bölümdeki korteks hücreleri içerisine girerler. Rhizobium hücreleri endositosiz denilen hücre zarının iç kısma doğru çöküp bir kabarcık oluşturması ve daha sonra veziküllere dönüştürülmesi şeklinde alınırlar. Bu keseler içerisinde bakteriler bölünürler. Genişlemiş, faklılaşmış, azot fıkse edebilen bu endosimbiyotik organeller bakteroid olarak



98



adlandırılır. Bakteroidleri kuşatan membrana ise peribakteroid membran adı verilir.



Enfeksiyon ipliği



Nodiil gelişimi Enfeksiyon zonu



Nodül vasküier



Şekil 6.1. Nodül oluşum aşamaları (1-4) (Hopkins’den değiştirilerek). Bakteri tarafından verilen uyartılara cevap olarak konukçu hücreler leghemoglobin üretimini de kapsayan önemli biyokimyasal ve morfolojik değişimler gösterirler. Meydana gelen nodüller vasküier sisteme benzer olarak bitkiler tarafından meydana getirilen besinlerle bakteroidler tarafından üretilen tikse edilmiş azotun değişimini sağlarlar. Bazı ılıman baklagillerde (örneğin bezelye) nodüller, bir nodül meristeminin mevcudiyetinden dolayı uzamış ve silindirik bir yapı kazanmışlardır. Soya fasulyesi ve yerfıstığı gibi tropikal baklagil nodüllerinde ise sürekli bir meristemin olmamasından dolayı şekilleri küresel kalır. Baklagillerden başka bazı bitkilerde de azot fıkse eden organizmalar arasında simbiyotik bir ilişki olabilir. Örneğin un (kızılağaç) Actinomycetes grubuna ait Frankla alni bakterisi ile kök nodülleri oluşturarak azot fıkse ettiği belirtilmiştir. Diğer taraftan çimler azot fıkse eden organizmalarla simbiyotik bir ilişki içerisinde büyüyebilirler, fakat bu bitkilerde



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



99



kök nodüllerinin oluşumu söz konusu değildir. Simbiyotik azot fiksasyonu kapasitesine sahip diğer çalı ve ağaçlar arasında Myrica gale, Casuarina sp. (Avustralya çamı), Purshia tridentata ve Cercocarpus sp. sayılabilir. Bunlara benzer bir azot fiksasyonu Klebsiella pneumoniae gibi bakteriler ve maviyeşil alglerde de görülür. Yine azot fıkse eden bakterilerin (Actinomycetes) kök yüzeylerine (özellikle uzama zonu ve kök tüyleri civarında ) tutundukları görülmüştür. Azospirillum gibi bakterilerin mısır ve diğer hububatların ziraatında kullanılmaları konusunda geniş çalışmalar yapılmaktadır. Bu bakterilerin potansiyel azot fıkse etme özelliklerinin azot kullanımını azaltacağı araştırıcılar tarafından tahmin edilmektedir. AZOT FİKSASYONUN BİYOKİM YASAL TEM ELİ (NİTROGENAZ ENZİM K O M PL E K Sİ) Azot fıkse eden organizmalarda son ürün, endüstriyel azot fıksasyonunda olduğu gibi amonyaktır. Amonyak daha sonradan glutamin veya glutamat gibi organik bileşiklere bağlanır. Böylece mikroorganizmalar tarafından ya da simbiyotik ilişki içerisinde olan konukçu bitki tarafından kullanılır. Moleküler azotun amonyağa fiksasyonu için gerekli tam reaksiyon aşağıda özetlenmiştir: N2+ 8e‘ + 8H++ 16 ATP --------^ N H s + H2 + 16 ADP + 16 Pi Bu reaksiyon nitrogenaz enzimi tarafından kataliz edilir. Nitrogenaz Mo-Fe proteini (protein 1) ve Fe proteini (protein 2) olmak üzere iki birimden meydana gelen bir enzim kompleksidir. Bu enzimin azotu indirgeme basamakları aşağıda verilmiştir (Şekil 6.2). 2e‘ 2e' N=N----- ►HN=NH ----- ► 2H+ 2H+



2H+



ADP+P Protein 2 (yük) .Protein 1 (ind)



NADPH *



NADP



2e‘ ----------►2NH3



S^M o4+



P ro te in 2 (ind) ^ ^-Protein 1 (yük) ATP Mo 6+



N2 2NH3



Şekil 6.2. Nitrogenaz enziminin azotu indirgeme basamakları



100



Azot fıksasyonunun enerji yönü çok komplekstir. N2 ve H2’den NH3 üretimi ekzergonik bir reaksiyondur. Aynı şekilde, N2 ve H2’den NH3’ün endüstriyel üretiminde de çok yoğun enerji basamakları vardır. Çünkü N2’deki üçlü bağın kırılması için aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyulur. Nitrogenaz tarafından N2’nin enzimatik indirgenmesi için büyük bir ATP kaynağına ihtiyaç olduğu daha önce verilen reaksiyondan da anlaşılabilir. Bitkilerde azot fiksasyonu için gerekli enerji ihtiyacının karbohidratlardan sağlanabileceği ileri sürülmüştür. Yapılan hesaplamalar 1 g N2’nin fıkse edilmesi için 12 g organik karbonun harcandığını göstermiştir. Tabii şartlar altında H+’nın H2 gazına indirgenmesi önemli olup, nitrogenazdan gelen elektronlar için N2 ile yarışabilirler. da nitrogenaz için sağlanan enerjinin % 30 - 60’ı H2 olarak kaybedilir. Böylece söz konusu reaksiyon bu organizmalar tarafından meydana getirilen azot fıksasyonunun etkinliğini azaltır. Bununla birlikte, bazı Rhizobium türleri N2 indirgenmesi için H2’yi parçalayan ve elektronların devrini sağlayan hidrogenaz denilen bir enzim ihtiva ederler. Bu yolla azot fıkse etme etkinliği artırılır. SİM BİYOTİK AZOT FİKSASYONUNUN M OLEKÜLER KONTROLÜ Nodül oluşumu (nodülasyon) ve azot fiksasyonu için bakterilerde birçok gene ihtiyaç vardır ve bunlar büyük bir dairesel plazmit (Sym = simbiyosiz) üzerinde bulunurlar. Bu Sym plazmidi üzerindeki konukçuya özel enfeksiyon ve nodül oluşumu ile ilgili genler, n o d gen leri olarak adlandırılırlar. Nod genleri hakkındaki bilgiler sınırlı olup, nod geni ürünlerinin biyokimyasal fonksiyonları tam olarak bilinmemektedir. Bununla birlikte, nod gen mutantlarına sahip Rhizobiumlarm, enfeksiyon ve nodül oluşumunun çeşitli safhalarında engellendikleri belirlenmiştir. Sym plazmidi üzerinde nod genleri iki farklı bölümde gösterilir. Bunlardan birincisi genel genler olup, geniş bir konukçuyu kapsayan bakterilerdeki plazmid genleridir. Diğeri ise sadece belirli bir konukçuda fonksiyon gören konukçu özel genleridir. Azot fiksasyonu ile ilgili genler nodül gelişiminin son safhasında aktif olmakta ve n i f g e n le ri ve f i x g en leri olarak adlandırılmaktadırlar. Nodülasyonu uyarabilen bakterilerde her iki genin mutasyonu sonucunda nodülasyon oluşabilir, fakat azot fiksasyonu meydana gelemez. N if genleri hem serbest yaşayan hem de simbiyotik azot fıkse eden bakterlerde mevcuttur. N if genleri nitrogenazm yapısal genleri yanında



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



101



düzenleyici genlerini de ihtiva eder. N if H geni, nitrogenazın demir protein alt birimini sentezler. N if D ve n if K ise nitrogenazın MoFe protein kısmının alt ünitelerini kodlarlar. Fix genlerinin ise sadece simbiyotik azot fıkse eden bakterilerde mevcut olduğu bulunmuştur. Fix genleri n if gen kümeleri içinde ve dışında yer alabilir. Fix genlerinin bir fonksiyonu da hem biyosentezidir. Hem grubu öncül maddesi aminolevulinik asittir (ALA). ALA sentaz için Rhizobium genindeki mutasyonlar azot fıkse edemeyen beyaz nodüllerin meydana gelmesine neden olurlar. Leghemoglobine ilave olarak nodüller, kendilerine özel olan birçok bitki orijinli protein ihtiva ederler. Bu proteinler nodülinler olarak adlandırılır ve genleri de NOD geni olarak isimlendirilir. Baklagil nodüllerinin birçoğunun tanımlanmış 20 - 30 nodulin ihtiva ettiği tahmin edilmektedir. Nodülinler, nodül gelişimlerinin belirli aşamalarında sentezlenmekte üreid metabolizması ile ilişkili enzimleri ve leghemoglobini kapsamaktadırlar. Simbiyotik azot fıksasyonunun önemli bir konusu bitki NOD genleri ile bakterial nod, n if ve fix genleri arasındaki ilişkilerdir. Bu konudaki çalışmalar devam etmektedir. Son yıllarda bu n if genlerinin azot fikse edemeyen yüksek bitkilere aşılanması en çok çalışılan konulardan biridir. Azot Fiksasyonu İçin Anaerobik bir Ortama İhtiyaç Duyulur Azot fıkse etme safhasının ilginç özelliklerinden birisi, anaerobik bir çevreye ihtiyaç duymadır. Çünkü bu olayda anahtar rolü oynayan nitrogenaz enzimi, moleküler oksijen tarafından dönüşümsüz olarak inhibe edilir. Böylece azot fıksasyon olayı anaerobik şartlar altında olmalıdır. Tablo ö .l.’de listelenen organizmaların her biri ya anaerobik şartlar altında fonksiyon görürler ya da 0 2Ti bir ortamda içsel bir anaerobik çevre meydana getirirler. Örneğin fılamentli siyanobakterilerde (Cyanobacteria) bu olay heterosist olarak adlandırılan özelleşmiş hücrelerde yapılır. Heterosistler kaim çeperli hücreler olup, heterosistsiz siyanobakteriler amonyum (NH4+) eksikliğinde farklılaşırlar. Diğer taraftan oksijen açığa çıkaran kompleksi bulunduran fotosistem (fotosistem II), heterosistlerde mevcut değildir. Böylece bu hücrelerde fotosentez olayı ile de 0 2 oluşumu söz konusu değildir. Heterosiste sahip olmayan siyanobakteriler sadece anaerobik şartlar altında azot fiksasyonu yapabilirler. Bu organizmaların su altında kalmış alanlarda yaşayarak azot fikse ettikleri kaydedilmiştir. Asya ülkelerinde hem heterosist hem de heterosistsiz



102



tiplere sahip olan azot fıkse eden siyanobakterilerin, pirinç tarlalarında toprağa yeterli azot ilavesi yaptıkları bulunmuştur. Bu mikroorganizmalar pirinç tarlaları su altında kaldığı zaman azot fıkse ederler. Tarlalar kuruduğu zaman ise fıkse ettikleri azotu serbest bırakırlar veya parçalarlar. Su altındaki pirinç tarlalarının kullanılabilir azotuna önemli bir katkı narin su eğreltisi Azolla tarafından yapılır. Azolla, azot fıkse eden bir siyanobakteri olan Anabaena ile simbiyotik yaşar. Bu Azolla - Anabaena kompleksi günde dönüm başına 3 kg’dan daha fazla atmosferik azotu fıkse etme kapasitesindedir. Azot fıkse etme kapasitesinde olan serbest olarak yaşayan bakteriler aerobik, fakültatif ya da anaerobik olabilirler. Azobacter gibi aerobik azot fıkse eden bakterilerin yüksek solunum hızı yardımıyla indirgenmiş bir 0 2 ortamı (mikroaerobik şartlar) meydana getirmek suretiyle bu olayı başardıkları düşünülmektedir. Gloeoheca gibi diğerleri de gündüzleri fotosentezle 0 2 üretirler. Geceleyin ise azot fıkse ederler. Fakültatif organizmalar hem aerobik hem de anaerobik şartlar altında büyüme yeteneğinde olup, genellikle azot fıksasyonları yalnızca anerobik şartlar altında meydana gelir. Bazı anaerobik azot fıkse eden bakterilerde 0 2’nin problem olmaması şaşırtıcı değildir. Bu anaerobik organizmalar ya fotosentetik (Rhodospirillum) ya da fotosentetik olmayabilirler (Clostridium). Simbiyotik azot fıksasyonunda, simbiyotik yaşama katılan bitki ve mikroorganizmaların yüksek solunum hızıyla ve 0 2 bağlayıcı bir hem proteininin (leghemoglobin) yardımıyla ortamdaki oksijen miktarı azaltılır. Leghemoglobin, enfekte edilen nodül hücrelerinin sitoplazmasmda çok yüksek konsantrasyonlarda (soya fasulyesi nodüllerinde 700 pM) mevcuttur ve bu protein, nodüllerde pembe rengin oluşmasını sağlar. Leghemoglobinin globin kısmı konukçu bitki, hem kısmı ise bakteriler tarafından sentezlenir. Leghemoglobin 0 2 için yüksek bir ilgiye sahiptir. Leghemoglobinin kök nodüllerindeki 0 2 konsantrasyonu üzerine tamponlayıcı bir etki yaptığı düşünülmekte, böylece nitrogenazı inhibe etmeksizin solunuma devam edebilmektedir. Ayrıca leghemoglobin bir 0 2 taşıyıcısı olarak görev yapar ve solunum yapan simbiyotik bakteriyal hücrelerin etrafını kuşatan tabakalardan 0 2 geçişini kolaylaştırır. Sonuç olarak leghemoglobinin hücresel seviyede fonksiyonları hayvan dolaşım sistemindeki hemoglobine çok benzerdir.



103



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



OKUMA PARÇASI 6.1. TABİİ AZOT FİKSASYONUNU ARTIRM A ÇALIŞM ALARI Her yıl bakteriler tarafından toprağa yaklaşık 150 milyon ton kullanılabilir azotun bırakıldığı tahmin edilmektedir. Endüstriyel olarak azot fıksasyonu için yakıt kaynaklarının kullanılması daha sınırlı ve daha pahalıdır. Onun için tabii azot fıksasyonunu verimli hale getirme daha önemlidir. Bunun için en genel yol, azot fikse edemeyen bitkiler (hububatlar) tarafından kullanılan azotun tekrar yerine konulması için, azot fikse edebilme yeteneğindeki soya fasulyesi ve yonca gibi bitkilerin mısır ve buğday gibi azot fikse edemeyen bitkilerle münavebeli olarak ekilmesidir. Çin ve Vietnam gibi ülkelerde pirinç önemli bir zirai ürün olup sucul bir eğrelti ile ( A zotla ) birlikte büyütülmesi, sudaki pirinç tarlalanndaki büyümenin teşvik edilmesi için kullanılan bir yoldur. A zo lla , azot fikse eden mavi-yeşil bakterilerle simbiyotik bir ilişki içinde olup, fikse edilen azot pirincin azot içeriğine katkıda bulunur.



Diğer



taraftan Leguminosae familyası bitkileri toprağa ekilecekleri zaman, söz konusu bitki tohumlan ticari R hizobium suşlan ile kanştırılır. Böylece çimlenen tohumlar, önemli bir simbiyotik azot fikse eden bakteri populasyonuna sahip olmuş olurlar. Tabii azot fiksasyonunu artırmak için diğer bir etkili mekanizma, Leguminosae familyası mensubu olmayan hububat bitkilerinde simbiyotik azot fiksasyon imkanının uyarılmasıdır.



Özellikle buğday veya mısınn



azot fikse edebilen



varyetelerini



geliştirmenin zirai yararları çok önemlidir. Buna yönelik olarak azot fikse eden bakterilerden yüksek bitki hücrelerine, azot fiksasyonu ile ilgili genetik bilginin transfer edilebilme imkanlan araştınlmaktadır. Nitekim azot fikse eden genlerin bir bakteriden diğer



bir



bakteriye



transferi



başanlmıştır.



Örneğin,



K leb sie lla



pn eu m o n ia e



bakterisindeki azot fikse eden genler, azot fikse etme kapasitesinden yoksun olan E sch erichia colV ye transfer edilmiş ve bu bakterinin azot fikse ettiği görülmüştür.



Bununla birlikte yüksek bitki hücrelerine transfer problemleri büyük ölçüde aşılmıştır. Fakat fonksiyonel azot fiksasyon kapasitesinin ortaya çıkanlmasmda en önemli problemlerden birisi de azotu fikse eden enzimin (nitrogenaz) oksijene çok duyarlı olmasıdır.



Bu



nedenle



bu



alanda



daha



fazla



teknolojik



gelişmelere



ihtiyaç



duyulmaktadır. Yüksek bitkilerdeki azot fikse etme kapasitesini geliştirmek için diğer bir alternatif yol, Leguminosae familyasında olduğu gibi, hububat bitkilerinin köklerinde de simbiyotik ilişkiler oluşturacak azot fikse eden bakteri türlerinin genetik olarak dizayn edilmesidir. Nitekim azot fikse eden bir bakterinin (S pirillum lipoferum ) mısır kökleri



104



ile ilişkili olduğu ve azotun eksik olduğu durumlarda mısır verimini ve büyümesini artırdığı bulunmuştur. Bu yolun yüksek verim elde etmede büyük bir potansiyel olabileceği düşünülmekle birlikte bazı olumsuz yönlerinin olabileceği de ileri sürülmüştür. Bu konudaki çalışmalara devam edilmektedir.



TOPRAK AZOTUNUN KAYBI Topraktaki azot, denitrifikasyon bakterileri olarak adlandırılan bazı bakterilerin biyokimyasal aktivitesiyle, zirai ürünlerin kaldırılmasıyla ve



yağan yağmurların



sürüklemesiyle kaybedilir. Nitrat, suda çok iyi çözünür ve büyük yağmurlar esnasında topraktan süzülür. Eğer azot, gübreleme ile toprağa sürekli ilave edilmezse ve diğer yollarla toprağa kazandınlmazsa toprağın azot içeriği gittikçe azalır ve bitkilerin büyümesi yavaşlar. Topraklar zirai olarak kullanıldığı zaman, azotun büyük bir kısmı, hasat esnasında topraktan uzaklaşır. Bazı durumlarda bu kayıp, bitkinin hasat edilmeyen bölümlerinin toprağa kanştınİması ile azaltılabilir. Bunun için tanm yapılan kara parçalannm sürekli ve yoğun kullanımı, gübrelemeyle azotun tekrar toprağa verilmesini gerektirir. Yağmur ve benzeri sulamayla toprağın yıkanması ve ürün kaldınmı ile topraktaki azotun kaybolmasına ilave olarak, fikse edilen azot, denitrifikasyon bakterileri yardımıyla da topraktan ayrılabilir. Denitrifikasyon bakterileri, azot oksit veya azot gazı gibi nitratları, azotun gaz formlarına indirgeyen bakterilerdir. Denitrifikasyon bakterileri anaerobiktir. Yani onlar sadece oksijensiz ortamda veya oksijen konsantrasyonu aşın derecede düşük olduğu zaman fonksiyoneldirler. Toprak su altında kaldığı zaman anaerobik bir ortam oluşur. Hatta su altında olmayan bazı topraklarda da özellikle toprağın porlannm boyudan küçük olduğundan dolayı bu boşluklarda az oksijen bulunur (örneğin killi topraklarda olduğu gibi). Aynı zamanda köklerin solunum aktivitesi de oksijeni hızla tüketir. Ortalama olarak yılda hektar başına 25 kg azotun, denitrifikasyon bakterilerinin faaliyeti ile yeryüzünden uzaklaştmldığı tahmin edilmektedir.



ŞİM ŞEK Şimşek, atmosferde oksijen ve su buharından serbest oksijen atomları, serbest hidrojen atomları, hidroksil serbest radikallerinin oluşumuna neden olur. Bu reaktif bileşikler daha sonra moleküler azota bağlanarak nitrik asit (HN03) oluşumuna neden olurlar. Oluşan nitrik asit yağmurlarla toprağa aktarılır.



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



105



Elektrikli havalara sahip olan bölgelerde yılda hektar başına 50 kg veya daha fazla elemental azotun alınımı mümkün olabilir. Daha genel bir ifade ile bu olayla yılda hektar başına 2,5 veya 5 kg azot toprağa ilave edilmektedir. İNSEKTİVOR BİTKİLER Diğer minerallerde olduğu gibi, azot elde edilmesinde dış yollardan birisi de insektivor bitkiler tarafından sağlanır. Bunlar aynı zamanda karnivor bitki olarak da adlandırılır. İnsektivor bitkilere örnek olarak Sarracenia (Şekil 6.3), Drosera, Drosera, Dionaea (Şekil 6.3) ve Nepethes cinsleri verilebilir. Bu bitkiler, böcekleri tuzağa düşüren ve sindiren özelleşmiş yapılara sahiptirler. İnsektivor bitkilerin bilinen 400 türü vardır. Bilinen 250 milyon bitki türü göz önüne alınırsa bu sayı fazla değildir. İnsektivor bitkiler, avı yakalamak için kullandıkları organların yapısına bağlı olarak aktif ve pasif yakalayıcılar şeklinde sınıflandırılabilirler. Aktif yakalayıcılar, avın etrafında aktif olarak kapanan hareketli kısımlara veya avı sindirme alanına doğru sürükleme özelliğine sahip iken, pasif yakalayıcılarda bu tip özellikler yoktur. Bu bitkilerin yaprak ayası, böcekleri tuzağa düşürecek şekilde farklılaşmış ve bazı türlerde ise üst kısımda bir kapak oluşmuştur. Yaprağın iç kısmı çok düz ve kaygan olup, iç yüzeyinde aşağıya doğru eğik tüyler bulunur. Bu tüyler içeriye düşen böceğin dışarı çıkmasını engeller. Yaprağın alt kısmında ise enzimatik bir sıvı salgılanır ve böcek burada boğularak sindirim enzimleri tarafından sindirilir. Sindirilen azotlu bileşikler komşu hücreler tarafından alınarak emilir ve böylece



Şekil 6.3. Böcek yiyen bitkilerden a) Dionaea sp. b) Sarracenia sp.



106



İnsektivor bitkiler tarafından avın yakalanması organik madde gerekliliği bakımından her zaman önemli olmayabilir. Bu bitkiler yeşil fotosentetik bitkiler oldukları için, fotosentez yoluyla yeterli enerji ve organik madde elde edebilirler. Ayrıca, besince zengin topraklarda büyütüldükleri zaman, büyüme ve gelişmeleri (avlarını yakaladıkları zaman ya da yakalamadıkları zaman) çok güçlüdür. Bununla birlikte insektivor bitkiler doğada çoğunlukla azot ve fosfor gibi besin elementleri bakımından yoksun olan bir çevrede (bataklık ve çayır) bulunurlar. Bu şartlar altında avını yakalayan bitkiler çok hızlı ve sağlam bir büyüme gösterirler. AZOTLU BİLEŞİK LERİN BİTKİ BÜNYESİNE ALINM ASI Çoğu bitkiler NKLf'ü alabilme yeteneğine sahip olmakla birlikte, daha çok nitratı (N03) tercih ederler. Bitki hücresine alman nitratın indirgenmesi iki kademede meydana getirilir. Bu kademelerde nitrat redüktaz ve nitrit redüktaz enzimleri rol oynar. Nitrat Asim ilasyonu Nitrat, normal tarla şartlarında yüksek bitkiler tarafından kullanılan esas azot kaynağıdır. Ayrıca N 0 3' asimilasyon oluşum yolu inorganik azotun organik bileşiklere girişi için en önemli noktadır. Çoğu ılıman bölge topraklarında amonyak, bakteriler yardımıyla nitrifikasyon olayı ile hızlı bir şekilde nitrata dönüştürülür. Yeterince drenajı olmayan ve iyi havalandırılmamış topraklarda bu bakteriler iyi gelişme göstermediklerinden dolayı nitrifikasyon olayını yürütemezler ve sonuç olarak önemli bir miktarda amonyak toprakta birikir. Genellikle bitkiler için azot kullanımının en önemli formu NO3' olmasına rağmen, bazı bitkiler belirli şartlar altında amonyağı doğrudan kullanabilir. Örneğin mikroorganizmalar tarafından meydana getirilen nitrifıkasyonun inhibe edildiği asidik topraklarda büyüyen bitkilerde azot amonyak şeklinde alınır. Nitrat, uyanlabilir bir taşınım sistemi tarafından alınır. Protein ve RNA sentezi inhibitörlerinin nitrat alınımını inhibe etmesi nitratın kendine özel taşınım sistemini uyardığını gösterir. Nitrat alınımı metabolik enerjiye ihtiyaç duyan bir olaydır. Nitratın aşırı derecede hücreye alınması sonucu, fazla nitrat vakuollere aktarılabilir. Tonoplast üzerindeki farklı kanalların potansiyel olarak vakuollar nitrat birikimini kolaylaştırdıkları belirlenmiştir. Çiftlik hayvanlarının yemini oluşturan bitkiler ya da ıspanak gibi insanlar tarafından tüketilen sebzelerin



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



107



vakuollerinde nitratın yüksek konsantrasyonlarda birikmesi bazı olumsuz durumlara neden olabilir. Çünkü aşırı nitrat insanlarda ve çiftlik hayvanlarında toksisiteye neden olur. Karaciğerde, nitrat nitrite indirgenir. Bilindiği gibi nitrit reaktif bir madde olup, hemoglobine kuvvetle bağlanır ve böylece oksijen bağlama kapasitesini azaltır. Bitkiler tarafından absorbe edilen nitrat nitrat redüktaz (NR) yardımıyla nitrite indirgenir (Şekil 6.4). Yüksek bitkilerde nitrat redüktazların elektron vericisi ya NADH ya da NADPH’dır, fakat çoğunlukla bu enzim NADH’i kullanır. Bitki kökleri yardımıyla topraktan alınan nitrat, organik bileşiklere bağlanmadan önce amonyağa indirgenir. Bu olaydaki ilk basamak nitratın nitrite indirgenmesidir. Bu reaksiyon sitoplazmada meydana gelir. 2H NAD(P)H v ^ F A D f < ^ 2 S ^ b 5 5 7 ^ ^ 2 M o . ^ N 0 2 + H£) FADH, 2 Sit b 557 ^ ^ 2 Mcf f " HO3 .__________ , Û^O 2H + HADPH-Sit b 557 redüktaz Nitrat redüktaz



NAD(P)+ ^



Şekil 6.4. Nitrat redüktaz tarafından nitratın nitrite indirgenmesi Bütün ökaryotik nitrat redüktazlar; FAD, hem ve molibden kompleksi olmak üzere üç prostetik grup ihtiva ederler. Molibden eksikliği durumunda hücrelerdeki nitrat redüktazın aktivitesi büyük oranda azalır. Nitrat redüktaz uyarılabilir bir enzimdir. Nitrat redüktaz sentezi kendi substratı tarafından düzenlenir. Yani nitrat, kendi enziminin sentezini kendi uyarır. Nitrat redüktazın kararlı durumu sentez hızı yanında bozulma hızıyla da belirlenir. Nitrat hücrede azaldığı zaman NR seviyesi de hızla düşer. Nitrat, NR’ın primer uyarıcısı olmasına rağmen maksimum etki için ışığa ihtiyaç duyar. Somers ve ark. (1983), karanlıkta nitratla muamele edilen arpa fidelerinin çok düşük seviyede NR biriktirdiklerini göstermiştir. Diğer taraftan fîdelerin beyaz ışığa maruz bırakılması sonucunda NR aktivitesinde güçlü bir artış meydana gelmiştir. Beyaz ışığın bu etkisinin mRNA seviyesinde olduğu sanılmaktadır. Bununla birlikte, çoğu durumlarda ışık tek başına nitrat redüktazı uyarmak için yetersizdir. Dolayısıyla ışığın rolü nitratın enzim üzerindeki etkisini artırmaktadır. Ayrıca fıtokrom ve bitki hormonları da bu enzimi



108



uyarabilirler. Nitrat redüktaz, hem yüksek bitkilerde ve hem de mikroorganizmalarda bulunan bir enzimdir. Nitrit (NO2'), sitoplazmada aşırı birikirse (toksik seviye), hızla plastidlere (yeşil yapraklarda kloplastlar, yeşil olmayan dokularda lökoplastlar) taşınır. Plastidlerin her biri kendine ait nitrit redüktaza (NiR) sahiptir. Örneğin kloroplastlar ferrodoksin-NiR, proplastidler NAD(P)H - NiR ihtiva ederler. Bu iki enzim 6e' kullanarak aşağıdaki reaksiyonlarla nitriti amonyuma indirgerler. N 0 2‘ + 6e' + 8H+ NH4 + 6Fd yük + 2H20 NiR, plastidlere yerleşmesine rağmen NR’aya benzer olarak nukleus DNA’sı tarafından kodlanır. Nitratın Asim ilasyonuyla Amino Asitler Oluşur Nitratın indirgenmesiyle oluşan amonyak ve amonyum iyonları bitki hücrelerinde birikmeyip hızlı bir şekilde organik bileşiklere bağlanırlar. Hem amonyak hem de amonyum iyonları, yeterince yüksek konsantrasyonlarda bulunurlarsa bitki hücreleri için toksik etki gösterirler. Yalnız begonya gibi bazı bitkiler azotlu bileşikleri amonyak azotu şeklinde biriktirme yeteneğindedir. Bu birikim büyük merkezi vakuollerde meydana gelir. Amonyak azotunun karbon bileşiklerine asimilasyonu iki yolla meydana gelebilir. Birincisi; glutamat meydana getirmek için, a - ketoglutarata bir amino grubu transfer (aminasyon) olur (Şekil 6.5). a - ketoglutarat + NADH + NH3 Glutamat + NAD+ + H20 Bu reaksiyon mitokondride ve kloroplastlarda bulunan glutamat dehidrogenaz (GDH) tarafından katalizlenir. Mitokondrilerde bu enzim NADH’ın yoğun ilavesiyle kullanılabilir ve TCA devri ile devamlı a ketoglutarat meydana getirilir. Amonyak asimilasyonu için ikinci yol glutamatın glutamine dönüşümü reaksiyonu ile ilgilidir. Amonyum iyonu formundaki (NH4+) amonyak, ilk olarak iki amino (-NH2) grubu ihtiva eden bir bileşik olan glutamini oluşturmak için glutamik aside bağlanır. Glutamat + NH3 +ATP Glutamin + ADP +Pi Bu reaksiyon glutamin sentetaz (GS) tarafından katalizlenir ve ATP formunda enerji girişine ihtiyaç duyar. Glutamin sentetaz yapraklarda kloroplast ve sitoplazmada, kök hücrelerinde ise sitoplazmada bulunur. Glutamin sırası ile a- ketoglutarik asit ile reaksiyona girer ve aketoglutarik asitin, keto (-C=0) grubuna, glutamindeki aminlerin birisi transfer



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



109



edilir. Bu iki molekül glutamatin oluşumunu sağlar. Bu reaksiyonla net olarak, amonyak ve a - ketoglutarik asitin bir molekülünden bir glutamik asit molekülü meydana gelir. Glutamin + a - ketoglutarat -> 2 Glutamat Bu reaksiyon glutamat sentaz (GOGAT; bu enzimin asıl bilimsel adı glutamin oksoglutarat aminotransferazdır) tarafından katalizlenir. Glutamat sentaz yaprak kloroplastlarında ve kök plastidlerinde bulunur. Bağlanan Azot, Transaminasyon Reaksiyonuyla Diğer Aminoasitlere Aktarılır Glutamat asimile edildikçe yapısında bulunan azot transaminasyon reaksiyonlarıyla diğer aminoasitlere bağlanır. Bu reaksiyonlar aminotransferazlar olarak bilinen enzimler tarafından katalizlenir. Bir transaminasyon reaksiyonu aşağıda gösterilmiştir: Glutamat + Oksoloasetat -> Aspartat + a - ketoglutarat Burada glutaminin amino grubu a-ketoasitin karboksil atomuna transfer edilmiştir. Bütün transaminasyon reaksiyonları kofaktör olarak piridoksalfosfata (vitamin B6) ihtiyaç duyar. Aminotransferazlar sitoplazmada, kloroplastlarda ve mikrobadilerde bulunurlar. COOH



CONH-



I



I



(c H2)2



. ADP+Pİ



H — C — NH. +



I



^



I



^4



H- - C --NH„ —2



I



COOH Glutamik asit Amonyum CONH. (CH2) 2



COOH Glutamin



| (ch 2)2



(ch 2)2 +



COOH a-ketoglutarik asit



—► (2)



I



1 H —C —NH~ 1 1



COOH



COOH



1



1



COOH Glutamin



W I ■o II O



1



(CH,),



H -C -N H 2 COOH Glutamik asit (2)



Şekil 6.5. Aminasyon örnekleri. Ayrıca hücredeki metabolik ara ürünler de aminasyon reaksiyonları ile değişik amino asitlerin sentezine katılırlar (Şekil 6.6).



110



FENİLALANİN \ \



; TÎROZİN



t



Pentoz fpsfetyoKT



Glikolisis



\



- Eritroz-4-P



"'■Siklik bileşikleri



Fosfoenolpinivik asit



i



indol



' --- -j— 7



/



t r îp t o f a n X



t.



Piniyik •••"'T



aSjl



- ALANIN \



\



VALİN



Asetil CoA-1^L(^s jn ÎZOLÜSİN} Pürinler //PlPEKOLİK\



/



/' \ h !STİD İN /' -



A SİT 4 1



Oksaloasetik «asit asit / \ '-'^»«uuascuui 7



' /



I



Sıtrat ,filDROKSÎPİROLÎN\ aıuaı rj



Jİ /G/ LUTAM IN



TCA



P R o L lN



Kelcıglutarik^-----V iTREONtN \ / ORNİTİN AZETİDÎN \ METİÖNİN . x ------------ . \, / ASPARAĞINKARBOKStLAT; /AM^OBOî IRİK / ' / Ab SÎTRULLİN ALANIN I



! \



/



ARGININ



Şekil 6 .6 . Bazı metabolik ara ürünlerden sentezlenen amino asitler(Bidwell) BİTKİSEL PROTEİNLER Amino asitlerin sentezlenmesinden sonra amino asitlerin bir araya gelmesiyle proteinler oluşur. Bitkilerde depo proteinleri oldukça önemlidir. Depo proteinleri alevron taneleri içerisinde yer alır. Dikotil bitkilerin kotiledonlarmda bulunan depo proteini globulindir. Globulinlerin de çeşitleri vardır. Genellikle birçok baklagil bitkisinin kotiledonlarmda depo proteini olarak globulinlerden visilin ve legümin bulunur. Bunlar, özellikle çimlenme esnasında yapısal ve enzimatik proteinlere dönüşmek üzere hemen parçalanırlar. Tahıllardaki depo proteinleri ise globulinler değildir. Tahıl bitkilerinden çok sayıda globulin izole edilmesine rağmen, bunlardaki depo proteinleri genellikle prolamin ve glütenlerdir. Glüten ve prolamin miktarı, toplam proteinin % 70'i kadardır. Bu proteinler buğdayda gliadin, arpada hordein ve mısırda ise zein gibi adlarla anılırlar. Bunlar prolamin veya glütenlerin karışımı şeklindedirler. Diğer buğday türleri



ile karşılaştırıldığında ekmeklik buğday, protein



bakımından, özellikle de glüten proteini yönünden daha zengindir. Ekmeklik



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



111



buğday unu su ile karıştırıldığı zaman, bu glüten proteini hamurun uzamasını, gerilmesini ve elastik olmasını sağlar. AZOTUN TAŞINIM I VE DEPOLANM ASI Genelde bitkilerdeki esas azot taşınım bileşikleri asparagin, aspartat, glutamat, glutamin ve arginindir. Fakat türler arasında önemli farklılıklar vardır. Bazı bitki yaprakları radyoaktif işaretli C 0 2’ye maruz bırakıldığı zaman radyoaktif karbonun hızla glutamata, aspartata, alanine, serine ve glisine bağlandığı kaydedilmiştir. Azot fikse eden bitkilerde azotun en önemli taşınım formları amidler ve üreidler grubuna aittir. Fikse edilen azot ksilem yoluyla gövdeye taşınmadan önce kök nodüllerinde bir organik forma dönüşür. Ksilem özsuyunun kompozisyonu esas alınarak azot fikse eden baklagiller amid taşıyıcıları ve üreid taşıyıcıları olarak ikiye ayrılabilirler. Bezelye, üçgül, fig



ve mercimek gibi ılıman bölge baklagil bitkileri, azotlu bileşikleri amidler şeklinde (özellikle asparagin ve glutamin) taşırlar. Soya fasulyesi, fasulye, yer fıstığı ve kuzey bezelyesi ( igna)gibi tropikal orijinli baklagil bitkileri az V üreid formunda transfer ederler. Üç büyük üreide ömek olarak allantoin, allantoik asit ve sitrullin verilebilir. Sonuç olarak bu üç bileşik ksilemle gövdeye taşınır ve hızla metabolize edilir. Arginin ise bitkilerde daha çok uzun mesafe taşmımıyla ilgilidir. Bazen proteinik olmayan amino asitler de bitkilerde azot formları (örneğin yerfıstığında y- metilen glutamin gibi) olarak taşınabilirler. Bitkilerin gövdelerinde depolanan azot bileşikleri, taşınımda kullanılan bileşiklere çok benzerdir. Farklı olarak un yapraklarında azotun depolandığı bileşik, alanin ve aminobütirik asittir. Bitkilerin tohumlarındaki azotun esas depo maddesi canavanin olarak adlandırılan proteinik olmayan bir amino asittir. Bazı Cruciferae türlerinde ise azotun en önemli depo formu nitrat olup, amino asit depolan çok fazla indirgenmiştir.



KÜKÜRT ASİMİLASYONU Yüksek bitki hücrelerinin karbon bileşiklerinde bulunan kükürt, bitki kökleri tarafından çoğunlukla sülfat şeklinde alınır. Toprak sülfatının esas kaynağını kayaların aşınması oluşturur. Sülfatın diğer bir kaynağı endüstriler olup bunlar atmosfer kirliliğine neden olurlar. Fosil yakıtların yanması kükürt dioksit (S 02), hidrojen sülfür (H2S) gibi gaz halindeki kükürt formlarının



112



oluşmasını sağlar. Bu gazlar yağmurla toprağa aktarılır. Kükürt dioksit suda çözündüğü zaman kuvvetli bir asit olan H2S 0 4‘e (sülfürik asit) dönüşür ve bu asit, asit yağmurlarının esas kaynağını teşkil eder. Sülfatın köke alınımı özel taşıyıcı proteinler tarafından desteklenen aktif bir taşımınla meydana gelir. Hücreye alınan sülfat ilk olarak sülfat asimilasyon yolu ile organik bileşiklere dönüşür ya da tonoplasttaki anyon kanalları ile vakuollere serbest sülfat olarak taşınır. Vakuolar sülfatın su mercimeğinde (Lemna minör) toplam kükürtün % 99’unu oluşturduğu gösterilmiştir. Böylece, vakuoller belirli türlerde aşırı sülfatın biriktirildiği önemli yerlerdir. Nitrata benzer olarak bitki hücreleri tarafından ihtiyaç duyulan sülfat organik bileşiklere bağlanmadan önce indirgenmelidir. Bu indirgenme olayı kükürtün aminoasitlere bağlanmasından önce bazı ara kükürt bileşiklerinin oluşumu ile ilgilidir. Yüksek bitkilerde sülfatın asimilasyonundan sorumlu enzimler yaprak hücrelerinin kloroplastlarında ve kök korteks hücrelerinin proplastidlerinde yerleşmektedir. C4 fotosentezini kullanan bitkilerde ise sülfat indirgenmesinin esas yeri demet kını kloroplastlarıdır. Ara kükürt bileşiği olarak adenozin-5 fosfo sülfat (APS) ve 3 -fosfo adenozin-5 'fosfo sülfat (PAPS) olup kükürtün aktive edilmiş formlarını ifade ederler. Bu reaksiyonlar sırasıyla ATP sülfürilaz ve APS kinaz tarafından katalizlenmektedir. Sadece aktive edilen sülfat formları indirgenebilir ve diğer organik bileşiklere dönüştürülebilir. PAPS sülfat, sülfat esteri olarak kükürt bağı ihtiva eden sülfo lipidler gibi organik bileşiklere direkt olarak bağlanır. Bununla birlikte, aminoasitlere ve proteinlere bağlanması sülfıt seviyesinde indirgenmeye gerek duyar. Kükürt asimilasyonundaki daha sonraki basamak aktive edilmiş formların sülfıde (SO3') indirgenmesidir. APS’nin sülfıde indirgenmesinde e' vericisi olarak indirgenmiş ferrodoksin görev yapar. Bu reaksiyon aşağıda gösterilmiştir. APS + 8Fdind+ 5H+ -> Sülfıt + AMP +8Fdyak+ 3H20 APS’nin sülfıde indirgenmesi köklerde meydana gelmesine rağmen indirgenme hızı yapraklarda birkaç kat daha fazladır ve ışık tarafından uyarılmaktadır. Işık tarafından uyarılma fotosistemlerin aktivitesi ile indirgenmiş ferrodoksinin üretiminin artırılmasıyla ilgili olabilir. Fotosentetik olmayan hücrelerde muhtemel elektron vericisi NAD(P)H’dır.



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



113



APS’nin indirgenmesi ile meydana getirilen sülfıt, bitki hücrelerinde birikmeyip hızlı bir şekilde kükürt ihtiva eden aminoasitlerden sistein ve metiyonine bağlanır.



FOSFAT ASİMİLASYONU Toprak çözeltisindeki fosfat bitki kökleri ile alınır ve şeker fosfatlar, fosfolipidler ve nükleotidleri içine alan çeşitli organik bileşiklere bağlanır. Fosfatın asimilasyon yoluna ana giriş noktası hücrelerdeki enerjinin geçerli formu olan ATP oluşumu esnasında meydana gelir. Bu olayın bütün reaksiyonu bir fosfat - ester bağı oluşturmak için adenozin difosfattaki fosfat gurubuna inorganik fosfatın eklenmesi ile ilgilidir. Mitokondrilerde ATP sentezi için gerekli enerji, oksidatif fosforilasyon olarak adlandırılan ve solunumdaki şekerlerin yıkılması esnasında üretilen NADH’ın oksidasyonundan sağlanır. ATP oluşumu kloroplastlarda meydana gelen fotofosforilasyonla da oluşturulabilir. Mitokondri ve kloroplastlardaki bu reaksiyonlara ilave olarak, fosfat sitoplazmadaki reaksiyonlarla da asimile edilmektedir. Örneğin glikolizde inorganik fosfat yüksek enerjili açil fosfat gurubunu oluşturan 1,3difosfogliserik aside bağlanır. Bu fosfat, substrat seviyesinde fosforilasyonla ATP’yi oluşturmak için ADP’ye verilir. ATP’nin oluşmasından sonra buradaki fosfat grubu, yüksek bitki hücrelerinde bulunan çeşitli fosforillenmiş bileşikleri oluşturmak için transfer edilebilir.



KATYON ASİMİLASYONU Bitki hücreleri tarafından alınan katyonların asimilasyonu, organik bileşiklerle kompleks oluşturma ile ilgilidir. Yani katyonlar kovalent bağlar oluşturmaksızın karbon bileşiklerine bağlanırlar. Bu olay potasyum, magnezyum, kalsiyum gibi makrobesin katyonları ve çinko, sodyum, kobalt, mangan, demir, bakır gibi mikrobesin katyonlarında meydana gelir. Karbon bileşikleri ile katyonların kompleks oluşturmaları, koordinasyon oluşumu ya da elektrostatik bağlarla ilgilidir. Bir koordinasyon kompleksinde bir karbon bileşiğinin oksijen ya da azot atomları, katyon besin elementi ile bir bağ oluşturur. Sonuç olarak katyon üzerindeki pozitif yük nötralize olur. Koordinasyon kompleksleri tipik olarak bakır ve tartarik asit gibi polivalent katyonlar ile organik moleküller arasında meydana gelir. Ayrıca magnezyum ve klorofil a’da magnezyum, porfirin halkasındaki N grubu atomları ile



114



koordinasyon bağları yaparak bağlanır. Koordinat komplekslerinin oluşumuyla asimile edilen besinler arasında bakır, çinko, demir ve magnezyum bulunur. Ayrıca kalsiyum da hücre çeperindeki poligalaktronik asitle bir koordinasyon kompleksi oluşturur. Elektrostatik bağlar bir organik bileşik üzerindeki negatif yüklü bir grupla pozitif yüklü katyonun eşleşmesinden oluşur. Elektrostatik bağlar koordinat bağlarından farklı olarak katyonların pozitif yüklerini devam ettirirler. Önemli bir negatif yüklü grup karboksilik asidin iyonize formudur. Hücre çeperinin pektik bileşenlerine kalsiyumun bağlanması poligalaktronik asidin karboksilik grupları ile elektrostatik bağlanmalar yanında koordinat bağlanma ile de ilişkilidir. Genel olarak koordinasyon komplekslerinin oluşumuyla ilişkili olmayan magnezyum ve kalsiyum asimilasyonları; aminoasitler, fosfolipidler ve diğer negatif yüklü moleküller ile elektrostatik bağların oluşumuyla meydana gelir. Bitki hücreleri tarafından biriktirilen potasyumun büyük bir kısmı vakuolde ve sitoplazmada serbest iyon olarak kalır ve osmotik regülasyon ile enzim aktivasyonunda rol oynar.



OKSİJEN ASİMİLASYONU Bitki hücreleri tarafından oksijenin büyük bir çoğunluğu solunumda kullanılmasına rağmen, küçük bir kısmı da oksijen fıksasyonuyla doğrudan organik bileşiklere asimile edilir. Oksijen fıksasyonu, oksigenazlar olarak bilinen enzimler tarafından yürütülen reaksiyonlarda moleküler oksijenin bir organik bileşiğe doğrudan bağlanması ile ilgilidir. Organik bileşiklere oksijenin asimilasyonu için en büyük kaynak sudaki oksijendir. Oksigenazlar, enzim tarafından katalizlenen reaksiyonda organik bileşiğe transfer edilen oksijen atomlarının sayısına göre monooksigenazlar ve dioksigenazlar olarak sınıflandırılırlar. Bitki hücrelerinde dioksigenazlara örnek olarak, doymamış yağ asitlerine iki oksijen atomunun bağlanmasını katalizleyen lipooksigenaz ve pirolini hidroksipiroline dönüştüren pirolil-hidroksilaz verilebilir. Hidroksi pirolin hücre çeperi proteini olan ekstensinin önemli bir bileşenidir. Pirolilhidroksilaz bir dioksigenaz olarak kabul edilmektedir. Çünkü bir oksijen atomu hidroksipirolini oluşturmak için piroline bağlanırken iki oksijen a-ketoglutaratın suksinata dönüşümünde kullanılır. Monooksigenazlar bazen karışık fonksiyonlu oksidazlar olarak da adlandırılır. Çünkü bu enzimler hem oksigenasyon reaksiyonu hem de oksidaz



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



115



reaksiyonu (oksijenin suya indirgenmesi) katalizleme yeteneğindedirler. Bitki hücrelerindeki en önemli monooksigenaz sitokrom b4so olarak adlandırılır. Sitokrom b450, sinnamik asidin /ı-kumarik aside hidroksilasyonunu katalizleyen bir hemproteinidir. Monooksigenazlarda oksijen, hem grubunun demir atomu ile birleşerek aktive edilir. Oksijenle ilgili diğer reaksiyon fotorespirasyon esnasında organik bileşiğe oksijenin doğrudan bağlanmasıdır. Bu reaksiyon ribuloz-l,5-difosfat karboksilaz/oksigenaz (Rubisco) enziminin oksigenaz aktivitesi ile ilgilidir. Buradaki ilk kararlı ürün moleküler oksijenden orijinlenen oksijeni ihtiva eden 2-fosfoglikolattır.



BESİN DEVİRLERİNDE BİTKİLERİN ROLÜ Eğer bitkiler tarafından topraktan alınan mineraller tekrar toprağa dönüştürülmeseydi, hayat uzun zaman önce sona ererdi. Yeryüzünde besinlerin toplam miktarı sınırlı olup, ancak onların yeniden kullanılmasıyla hayat devam edebilir. Besinlerin yeniden kullanımı ile ilgili yollar oldukça komplekstir. Karbon ve azot gibi elementlerin yeniden kullanılır hale gelmesi istisnasız çok önemlidir. Çünkü bu elementler havada karbondioksit ve azot gazı formunda mevcutturlar. Bitkiler havada bulunan bu bileşikleri ise almak zorundadır. Bitki beslenmesinde çok önemli olan diğer elementler, gaz formunda mevcut değildirler ve sonuç olarak onların yeniden kullanımı daha az önemlidir. Bu bölümde gaz fazı ile ilgili olmayan yeniden kullanımın bir örneği olarak fosfor devrini, gaz fazı ile ilgili olarak da azot devrini inceleyeceğiz. FOSFOR DEVRİ Yeryüzündeki fosfor, esas olarak fosfat bileşikli kayalarda tutulur. Mangan fosfat, demir fosfat, alüminyum fosfat ve kalsiyum fosfatı ihtiva eden bu bileşikler az çözünürler. Yağmur suları, kayaları tedrici olarak aşındırırlar ve fosfatı toprağa kazandırırlar (Şekil 6.7). Bu fosfatın çoğunluğu, bitki için kullanılabilir değildir. Çünkü söz konusu fosfat, çözünmeyen fosfat bileşikleri şeklinde çöker ya da toprak partiküllerine bağlanır. Toprak suyundaki kullanılabilir fosfat, sadece 1 ppm veya daha az bir miktardadır. Bu kullanılabilir fosfatın bir kısmı bitkiler tarafından alınır ve sonuç olarak herbivor hayvanlar tarafından yenilebilir. Bu bitki ve hayvanlar öldüğü zaman onların ihtiva ettiği fosfor, tekrar toprağa geri döndürülür.



116



Toprakta kullanılabilir fosforun çoğunluğu kara bitkileri tarafından alınmamaktadır. Aksine yağmurla yıkanma sonucu nehirlere ve derelere akarlar, sonuç olarak okyanuslara ulaşarak kaybedilirler. Okyanuslarda bu fosfatın bir kısmı, deniz vejetasyonu tarafından alınır ve deniz hayvanları tarafından tüketilir. Denizdeki bitki ve hayvanlar ölüp, çürüdükleri zaman onların fosfatı tekrar okyanuslara geri döner. Böylece hem karalarda hem de okyanuslarda fosfatın devri söz konusudur. Bununla birlikte okyanuslara giren fosfatın büyük bir kısmı deniz vejetasyonu tarafından bağlanmakta, çözünmeyen fosfat çökelekleri olarak okyanus derinliklerine çökmektedir. Böylece bu fosfat, devredilebilir fosfat havuzundan kaybedilir ve kullanılabilir fosfatın net kaybını ifade eder. Karalardan denizlere yıkanarak taşman fosfor miktarının yaklaşık yılda 3,5 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir. Bunun çoğunluğunu, kullanılmayan derin sedimentlere ulaşan fosfat oluşturmaktadır.



Şekil 6.7. Fosfor devri (Kaufman’dan) AZOT DEVRİ Azot devri Şekil 6.8’de özetlenmiştir. Azot fıksasyonunu izleyen azot devri reaksiyonları, fikse edilen N formlarının içsel dönüşümleri ve azotun atmosfere geri dönüşümü ile ilgilidir. Çeşitli atıklarla toprağa geri dönen aminoasitler gibi organik azot formları ve ölü bitki ve hayvanların çürümesi ile oluşan organik N formları amonyağa dönüşürler. Bu olay amonifikasyon olarak



BÖLÜM 6 BİTKİLERDE MİNERAL BESİN ASİMİLASYONU



117



adlandırılır. Toprakta yaşayan bakteri ve funguslar amino azotunu serbest amonyağa dönüştürür ve topraktaki diğer bileşiklerle reaksiyona girerek amonyum tuzları meydana gelir. Serbest kalan amonyak önce nitrite (N 0‘2) daha sonra nitrata (NO'3) yükseltgenebilir. Bu olay da nitrifikasyon olarak adlandırılır. Amonyağın nitrite oksidasyonu (yükseltgenmesi) nitros grubu ( Nitrobacter, Nitrosomanas) toprak bakterileri ile sağlanır. Daha önce de ifade edildiği gibi topraktaki nitrat, bitkiler tarafından kullanılabilir veya topraktaki mevcut nitratın azota indirgenmesini sağlayan denitrifikasyon olayı yardımı ile atmosfere geri dönebilir. Birçok bakteri anaerobik ve N 0 ‘3, N 0 2'y a da N20 bulunan bir ortamda solunum enerji kaynağı olarak denitrifikasyon olayını kullanırlar. Denitrifikasyon çok önemli bir biyolojik olaydır. Çünkü denitrifikasyon olmasaydı nitrat çok hızlı bir şekilde okyanuslarda birikecekti. Denitrifıkasyonla atmosfere geri dönen azot miktarının yıllık olarak 93 milyon ton olduğu, fıkse edilen azot miktarı ile (125 milyon ton) karşılaştırıldığında ise bu rakamın ne kadar önemli olduğu açıkça görülebilir. Bu rakamlar fikse edilen azotun toprakta, göllerde ve okyanuslarda yavaşça biriktiğini göstermektedir.



Şekil 6 .8 . Azot devri (Kaufman’dan) Topraktaki kullanılabilir azotun seviyesi, topraktan azotu uzaklaştıran faktörler ile toprağa azotu kazandıran faktörler arasındaki bir denge ile sağlanır. Belirli bir yolla (örneğin denitrifikasyon bakterileri ile) topraktan ayrılmış azot, daha sonra diğer yollarla (örneğin azot fıksasyonu gibi) tekrar toprağa döndürülebilir. Bu şekildeki azot devri, bitkiler için kullanılabilir olan ve olmayan formlar arasındaki azot dönüşümü olarak adlandırılır.



BÖLÜM 7



BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI Çok hücreli ve büyük organizmalar, organik maddelerin (fotosentetik ürünlerin) uzun mesafeli taşmımı için etkili bir mekanizmaya sahip olmalıdırlar. Bu mekanizma için difuzyon çok yavaş bir olaydır. Hayvanlarda uzun mesafeli taşınım, iyi gelişmiş bir dolaşım sistemi tarafından başarılır. Bitkiler ise böyle bir sisteme sahip değillerdir. Bununla birlikte bitkilerde maddeler 50-100 m'lik mesafelere taşınmak zorundadırlar. Daha önceki bölümlerde suyun uzun mesafeli taşınımının, ksilemdeki birbiriyle temas etmiş hücreler yardımıyla yukarı doğru sürekli bir sütun oluşturularak başarıldığı belirtilmiş idi. Bu bölümde organik maddelerin (esas olarak fotosentetik ürünler) sentezlendikleri yerlerden tüketildikleri ya da depolandıkları yerlere olan hareketleri üzerinde durulacaktır. Bitkilerdeki organik maddelerin uzun mesafeli taşmımı translokasyon olarak adlandırılmakta, daha önce belirtildiği gibi bu terim uzun mesafeli su taşmımları için de kullanılmaktadır. Yapraklardan köklerdeki ya da gelişen meyvelerdeki depo merkezlerine organik maddelerin taşmımı zirai açıdan oldukça önemlidir. Şeker pancarından soya fasulyesine kadar tüm bitkilerde yüksek oranda verim elde edilmesi, organik maddelerin birikimine ve taşınımına bağlıdır. Bir dönümlük alandaki elma bahçesinde, 70 ton taze meyve üretmek için ortalama 10 ton organik maddenin söz konusu meyvelere taşınması gerektiği bulunmuştur.



BİTKİDE TRANSLOKASYON (TAŞINIM) YOLLARI Bitkilerde organik maddelerin taşınım yönü, üretildikleri yerden tüketildikleri ya da depolandıkları yerlere doğrudur. Yapraklar, üretimin yapıldığı yerler olup taşımmın kaynağıdırlar. Kökler ise taşınan maddelerin



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



119



depolandığı ya da tüketildiği en önemli yer olup translokasyon havuzu (taşınım havuzu) olarak adlandırılır. Kökler büyük bir havuz durumunda olup, asıl translokasyon kaynağının (yapraklar) aşağısında yer alırlar ve böylece taşımmın yönü de genellikle yukarıdan aşağıya doğrudur. Bununla birlikte translokasyon havuzu (örneğin büyüyen meyveler ve gövde uçları) yukarıda da yer alabilir. Bu durumda taşınım yukarıya doğru da olabilir. Bir organ veya dokunun kaynak veya havuz olarak nitelendirilmesi, o organ tarafından sentezlenen maddelerin net taşınım yönüne bağlıdır. Bir organ veya doku kendi metabolizması ve büyümesi için ihtiyaç duyulandan daha fazla madde üretirse kaynak olarak adlandırılır. Bu durumda kaynak, içeriye girenden daha fazla maddeyi dışarıya verir. Olgun yapraklar ve diğer aktif fotosentetik dokuların çoğunluğu bitkilerdeki önemli kaynaklardandır. Havuz ise fotosentezde sentezlenen maddeleri tüketen veya dışarıdan madde alımı daha yüksek olan doku veya organlardır. Kökler, gövde dokuları ve büyüyen meyveler normal olarak havuz görevi gören doku veya organ örnekleridir. Son yıllarda yapılan araştırmalara göre, gövdede organik madde taşınımı, aynı anda hem aşağıdan yukarıya, hem de yukarıdan aşağıya olabilmektedir. Yani bitkide iki yönlü organik madde taşınımı söz konusudur. Floemde farklı yönlerde meydana gelen taşımmın fasulye bitkilerinde aynı anda ve farklı floem borularında gerçekleştiği bildirilmiştir. Yukarıda belirtilen taşınım şekillerine ilave olarak, birçok bitkide floemden ksileme doğru bir organik madde taşımmının olduğu anlaşılmıştır. Bu yanal (lateral) madde taşmımınm özelikle fasulyede aktif olduğu gösterilmiştir. Translokasyonun meydana geldiği dokularla ilgili tartışmalar, uzun bir zaman devam etmiştir. 18. yy’da İngiliz Botanikçisi Stephen Hales bitkinin vasküler (floem) dokuları yardımıyla maddelerin aşağıya doğru hareket etmediklerini ileri sürdü. O, bütün maddelerin odun (trake) boruları ile taşındığına ve sadece taşımmın yukarıya doğru meydana geldiğine inanıyordu. Hales çok tanınan bir araştırıcı olduğundan dolayı, onun bu fikri, çok delil olmasına rağmen, aşağıya doğru translokasyon mekanizmasının kabulünü geciktirmiştir. Organik M addelerin Floemle Taşındığını Destekleyen Fazlaca Delil Vardır Organik maddelerin floemle taşındığını gösteren delillerden birisi, ağaçların büyümesi ve gelişmesi üzerine halkalamanın etkileri ile ilgili



120



denemelerden elde edilmiştir. Halkalama işlemi, bir ağaç gövdesindeki kabuğun (korteks) devamlı bir bilezik (halka) oluşturularak uzaklaştırılmasıdır. Böylece halkalama yapılmış kısımdaki floem uzaklaştırılmış olur. Bu durumda su ve suda çözünen mineral maddeler ksilemle yapraklara doğru taşınabilir, fakat yapraklarda sentezlenen organik maddeler ise köke taşınamaz. Bu olay sonucunda halkanın yukarısında sürekli bir şişme meydana gelir (Şekil 7.1). Bu şişmenin, aşağıya doğru taşmımı engellenen organik maddelerden kaynaklandığı, taşman maddeler arasında bulunan azot ve hormonların hücre bölünmesi ve çoğalmasına neden olduğu bulunmuştur. Halkalama işlemi yapılan bitki, bir süre normal hayatına devam eder ve daha sonra halkanın aşağısındaki dokular tedrici olarak ölür. Belirli bir süre sonra bitkinin tümünde ölüm gerçekleşir.



Odun



/



, Ağaç kabuğu



I Ağaç kabuğundan | bir halka çıkarıldı



(a)



Halkanın yukarısında şişme meydana geldi



(b )



Şekil 7.1. Halkalama deneyi a)Ağacın kabuğundan bir halka çıkarılarak ksileme doğru olan yapılar uzaklaştırılır b) Halkanın yukarısındaki şişmenin, aşağıya taşman maddelerin birikiminden ve halkanın yukarısındaki hücrelerin hızlı gelişiminden meydana geldiği düşünülmektedir. Organik maddelerin kabuktan (floemden) aşağıya doğru taşındığı yolundaki fikirlerin gecikmeli kabul edilmesinin en önemli nedeni, ksilem alanının çok geniş olmasıdır. Çünkü ağaç gövdesindeki odunun (trake) enine kesit alanı, toplam gövdenin enine kesit alanının % 95'idir. Yukarıdaki delillere ilave olarak gövde floeminden alman özsuyun incelenmesiyle floemin organik madde taşımmıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. Ayrıca radyoaktif çalışmalar da bu fikirleri desteklemiştir.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



121



FLOEM ÖZSUYUNUN İÇERİĞİ Botanikçiler floem özsuyu ile ilgili bilgiler elde etmek için, floem özsuyunu saf olarak toplamaya çalışmışlardır. Saf olarak floem özsuyunun toplanması, kortekste bir yara açılması ve dışarıya akan sıvının toplanmasıyla (ekzüdat) yapılabilir. Bununla birlikte bu ekzüdatın hepsinin kalburlu boru orijinli olduğunu söyleyemeyiz. Çünkü floem, değişik salgılar yapan çok sayıda hücreler ihtiva eder. Ayrıca bazı bitkilerde yaranın açılmasıyla, dışarıya çıkan ekzüdat oksijenle temas edince jel haline gelir. Bu durum ekzüdatın analizini imkansız hale getirir. Analiz amacıyla kalburlu boru ekzüdatım toplamak için en kesin metodlardan birisi afît (aphid) metodudur. Bu metod, üzerinde doğal olarak afıtlerin yaşadığı otsu ve ağaçsı türlere uygulanabilir. Afıtler (örneğin Longistigma caryae) bitkilerin floem özsuyu ile beslenen böceklerdir. Bu böcekler kalburlu borulara sokulabilecek küçük hançere benzer özel bir ağız yapısına sahiptirler. Bilindiği gibi kalburlu borular, yüksek turgor basıncı altındadır. Böylece bir afıt ağzını kalburlu boruya sokunca, özsuyu ağız yardımıyla afıdin gövdesine akar. Bilindiği gibi bu böcek besinini, floemin organik maddelerindeki organik maddelerden karşılar. Bu sırada böceğin ağzının kenarlarından akan ve nektar (bazı bitkilerin yapraklarında bulunan tatlı özsu) olarak adlandırılan ekzüdatlar, damlalar halinde yapraktan ayrılırlar. Bu damlayan nektarlar, genellikle besin kaynağı olarak karıncalar tarafından toplanır ya da toprak üzerine düşerler. Bazen de bu ekzüdatlar, altında park edilen otomobillerin üzerine düşer, ön cam veya otomobillerin boyası üzerinde yapışkan damlacıklar oluşturur. Afıtler tarafından hiçbir değişikliğe uğratılmayan kalburlu boru salgılarını toplamak için, afıtler uyuşturulur ve ağız kısımlarından kesilerek, kalburlu boru ile ilişkili bir boru hattı oluşturulur. Bir veya daha fazla gün boyunca kalburlu boru salgıları bu ağızdan akmaya devam eder ve bu salgılar analiz için toplanır. Floem ekzüdatmm kimyasal bileşimi çok değişkendir. Bu değişkenlik bitki türüne, yaşına ve örnek alınan dokunun fizyolojik durumuna bağlıdır. Hint yağı bitkisinde ( Ricinuscommunis) aktif büyüme sezonunda yapılan analizler, floem ekzüdatmda şekerler, proteinler, amino asitler, malat (organik asit) ve çeşitli inorganik anyon ve katyonların mevcut olduğunu göstermiştir. Bulunan amino asitlerin, daha önce azotlu bileşiklerin taşınım formu oldukları belirtilen glutamik asit ve aspartik asit, inorganik anyonların fosfat, sülfat ve klor,



122



dominant katyonun ise potasyum olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte bazı büyüme hormonlarının da (oksin, sitokinin ve giberellin) çok düşük konsantrasyonlarda bulunduğu kaydedilmiştir. Ekzüdatta bulunan protein, çok çeşitli enzimler yanında dominant olarak p-proteininden (p-proteini=floem proteini) oluşur. Floem özsuyundaki en fazla içeriğe sahip olan organik maddelerin şekerler olduğu ve ağırlık olarak toplam özsuyunun %10-25'ini teşkil ettikleri belirlenmiştir. Çalışılan 100 dikotiledon familyasına ait 500 türün floem özsuyu analizlerinde, en fazla mevcut olan şekerin sakkaroz (sukroz) olduğu bulunmuştur. Bazı bitkilerin şeker içeriği öyle yüksektir ki, özsuyu buharlaştırılarak konsantre edilir ve özsuyunun akıtılmasıyla kristal formda şekerler toplanabilir. Sicilya’da dişbudak ( ornus) ağaçlarının korteksinde yaralar açılarak, şeker salgılarının küçük sarkıtlara ve şeker istiflerine kristalize formda dönüşmesi sağlanır ve bunlar ağaçlardan koparılarak hasat edilebilir. Floem sıvısında bazen glukoz ve fruktoz da bulunmakla birlikte, bunların sakkarozun parçalanma ürünleri olduklan belirlenmiştir. Bazı türlerde şekerlerin taşınma formlarının verbaskoz, rafinoz ve stakioz gibi oligosakkaritler olduğu tespit edilmiştir. Diğer bitki familyalannda (Oleaceae, Rosaceae) taşınma formu olarak mannitol ve sorbitol gibi şeker alkolleri belirlenmiştir. Fotosentezde Sentezlenen Karbohidratların Sakkaroz Formunda Taşınmalarının Nedenleri Vardır Sakkaroz bir disakkarit olup, diğer oligosakkaritlere benzer olarak indirgen şeker özelliğinde değildir. Diğer taraftan glukoz ve fruktozu içine alan bütün monosakkaritler indirgen şekerdir. İndirgen şekerler serbest bir aldehit veya keton grubuna sahip, bazik koşullarda Cu3+ iyonunu, Cu2+ formuna indirgerler. Sakkaroz gibi bazı oligosakkaritler, bazik koşullarda reaktif olmayan ve kararlı alt birimler arası asetal bağlardan dolayı indirgen olmayan şekerlerdir. Fotosentezde sentezlenen maddelerin indirgen olmayan şeker formunda taşınmasının en büyük nedeni kimyasal kararlılıkla ilgili olabilir.



FLOEM DOKUSUNUN YAPISI Floemdeki asıl iletim işini yapan hücreler kalburlu element veya kalburlu boru olarak adlandırılır. Kalburlu elementler gelişim esnasında nukleus ve tonoplastlarını (vakuolar membran) kaybederler. Olgunluk



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



123



aşamasında ise bunlara ilave olarak mikroflamentler, mikrotubuluslar, Golgi cismi ve ribozomlarmı da yitirirler. Bununla birlikte plazma membranlan yanında sınırlı sayıda değişime uğramış mitokondriler, plastidler ve granülsüz endoplazmik retikulum bulundururlar (Şekil 7.2). Kalburlu elementlerin hücre çeperleri ligninleşmemiş olup, sekonder kalınlaşma da göstermezler. Bu nedenle sekonder çepere sahip, plazma membranı olmayan ve olgunlukta ölü olan ksileme ait trake elementlerine benzemezler. Kalburlu elementler, kalburlu alanlarla karakterize edilirler ve bunlar üzerinde porlar bulunur. Angiospermlere ait kalburlu alanlar, gimnospermlere oranla çok daha fazla özelleşmiştir. Örneğin kalburlu boru elementlerinin kalburlu alanlarının bir kısmı kalburlu plaklara farklılaşmıştır. Kalburlu plaklar diğer kalburlu alanlardan daha büyük porlar ihtiva ederler ve genellikle kalburlu boru üyelerinin uçlarında bulunurlar. Kalburlu plak porları, hücreler arasındaki taşınıma izin veren açık kanallardır. Dikotil bitkilerin kalburlu boru üyeleri pproteini bakımından çok zengindirler. P-proteini monokotil bitkilerde nadir, gymnospermlerde ise bulunmamaktadır. P-proteinleri türlere ve hücrelerin olgunluğuna bağlı olarak farklı şekiller (fıbriler, tubular, granüler ve kristal) alabilirler. P-proteinleri kalburlu plak porlarmı tıkayarak hasar görmüş kalburlu elementleri kapatabilirler. Bilindiği gibi kalburlu borular yüksek bir içsel turgor basıncı altındadır ve birbirlerine açık olan kalburlu plak porları ile bağlanmıştır. Kalburlu boru hasar görürse veya kesilirse, basınçtan dolayı kalburlu boru içeriği kesilen yere doğru yönelir ve eğer bu kapatma mekanizması olmazsa şeker bakımından zengin floem özsuyu kaybedilir. Çoğu türlerde benzer hasarlar için uzun süreli çözüm, kalburlu porlardaki kallozun üretimiyle sağlanır. Kalloz, plazma membranındaki kalloz sentetaz enzimi tarafından sentezlenir ve plazma membranı ile hücre çeperi arasında depolanır. Genellikle kalloz, mekanik uyarım ve yüksek sıcaklık gibi stres ve hasarlara cevap olarak fonksiyonel kalburlu elementlerde sentezlenirler. Kalbur porlarındaki bu tip yara kallozunun depolanması, hasar görmüş kalburlu elementleri sağlam dokulardan etkili bir şekilde korur. Kalburlu elementler hasarları onardıkça, kalloz bu porlardan uzaklaşır. Kalloz aynı zamanda ölü ve sekonder büyüme gösteren kalburlu elementlerde de bulunabilir. Aynı zamanda kışın dormansi gösteren bir çok bitkide dormansi kallozu adı verilen kallozun bulunduğu, ilkbaharda büyüme ve gelişmenin devam etmesi için bu kallozun tekrar çözündüğü kaydedilmiştir.



124



Şekil 7.2. Elektron mikroskobu altında kalburlu boru ve arkadaş hücrelerinin görünümü Daha önce ifade edildiği gibi ksilem boruları ile floemin kalburlu boruları arasında yapısal ve translokasyon yolu bakımından farklılıklar vardır. Olgun ksilem boruları ölü hücrelerdir. Bunlar içi boş oyuklar şeklinde, uçları tamamıyla açık, uç kısımlardaki çeperlerde büyük deliklere sahiptirler. Böylece bu hücreler, suyun akışına nispeten az engel olurlar. Kalburlu borular, ksilem borularından genel olarak daha kısa ve kalın olup, sekonder hücre çeperi ihtiva etmezler. Ksilemdeki iletim borularının boyutları ile floemdeki kalburlu boruların boyutları Şekil 7.3'de karşılaştınlmıştır. Hem ksilem borularının hem de kalburlu boruların şekli ve boyutları, bir bitki türünden diğerine büyük bir değişiklik gösterir. Fakat genel olarak ksilem boruları çok daha büyüktür. Ksilem boruları 0,1-0,15 mm çapında iken, kalburlu borular 0,02 mm çapındadır.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



125



(t»



Şekil 7.3. Floemdeki kalburlu boru (a) ile ksilemdeki bir borunun (b) boyutlarının karşılaştırılması



TRANSLOKASYON HIZI (VELOSİTİ) Kalburlu borulardaki floem özsuyunun akış hızının 20-200 cm/saat arasında olduğu belirlenmiştir. Bu ölçümlerden bazısı doğrudan yapılmıştır. Örneğin, büyüyen meyvelerde artan kuru ağırlık hızı ölçümleriyle meyveye taşınan maddelerin hızı hakkında bilgi elde edilebilir. Eğer enine kesit alanlarında ve floem özsuyundaki maddelerin konsantrasyonu bilinirse, meyveye doğru hareket eden özsuyun hareket hızı belirlenebilir. Büyüyen kabak (Cucurbita pepo) meyvelerindeki bu şekildeki ölçümler, translokasyon hızının 20 ile 155 cm/saat arasında değiştiğini ortaya çıkarmıştır. Translokasyon hızını ölçen daha direkt bir alternatif metod Şekil 7.4'de gösterilmiştir. Bu metodda radyoaktif karbondioksit yaprağa verilir ve radyoaktif karbondioksit fotosentezle şekerlere bağlanır. Bu şekilde işaretlenmiş olan şekerler yapraklardan floeme ve floem özsuyu ile köklere doğru akar. Floem özsuyundaki akış hızı, gövde boyunca iki Geiger tüpünün yerleştirilmesi ile belirlenir ve bir Geiger tüpünden diğerine hareket eden radyoaktivite için gerekli zaman ölçülür. Bu şekilde yapılan ölçümler floemin akış hızının 20-200 cm/saat olduğunu göstermiştir. Floemdeki 20-200 cm/saat'lik ortalama akış hızının, ksilemdeki suyun hareketinin 900 cm/saat olduğu göz önüne alınırsa çok büyük olmadığı görülür. Bununla birlikte içi boş olan ksilem ile, içerisinde engeller bulunan kalburlu boruların yapısı düşünüldüğünde bu taşınım hızının önemli olduğu görülür.



126



Çünkü her bir kalburlu boru sadece 0,1 -0,6 mm uzunluğundadır. Orta bir hızda hareket eden özsuyu, bir kalburlu boruyu 0,5 saniye veya daha az bir zamanda geçer.



Şekil 7.4. Floem özsuyu hareketinin akış hızının ölçülmesi. Yaprak radyoaktif karbondioksit ihtiva eden bir yere konur. Işıklandırılır ve fotosentez yoluyla radyoaktif karbondioksit şekerlere bağlanır. Radyoaktif şekerler, floem özsuyunda yapraklardan köklere doğru hareket eder. Gövde üzerinde iki ayrı Geiger probu yerleştirilerek, iki prob arasındaki akış hızı hesaplanır.



FLOEMDEKİ TRANSLOKASYONUN MEKANİZMASI Organik maddelerin yapraklardan köklere floem vasıtasıyla taşınımı nasıl sağlanır? Yaprak (kaynak) floemindeki şeker konsantrasyonu en yüksek olup, konsantrasyon köke (havuz) doğru tedrici bir düşüş gösterir. Böylece floem boyunca şekerler, kaynak ve havuz arasındaki hidrostatik basınç gradiyenti ile taşınırlar. Bu konsantrasyon farklılığı şekerlerin yapraklardan köklere doğru kolayca difuze edebileceği fikrini verir. Fakat floemdeki şekerler yüksek bir hareket hızına sahip olduklarından, bu fikir kabul edilemez. Çünkü basit bir difüzyonla şekerlerin hareket hızı, floemdeki taşınımın ölçülen hızından yaklaşık 40.000 kez daha yavaştır. Floemdeki taşınımın basit bir difüzyonla olmadığına inanılmasının diğer nedeni, floem taşımmının canlı hücrelere ihtiyaç duymasıdır. Oysa basit difuzyon canlı hücrelere ihtiyaç duymaz. Bir gövde kesitinin veya bir yaprak petiolünün bir kısmındaki bu canlı hücrelerin su buharına maruz bırakılarak öldürülmesiyle, floemdeki madde taşımmının şiddetle inhibe edildiği görülmüştür.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN



127



Yukarıda ifade edilen basit difüzyona ilave olarak, sitoplazfnik akış, kalburlu plaktaki iyon pompaları, hücreler arasındaki protoplazmik ipliklerdeki kontraktil elementlerle açıklanan taşınım şekilleri gibi teoriler hem deneysel hem de teorik olarak büyük ölçüde reddedilmiştir. Floemdeki translokasyon için genellikle kabul edilen ve en gerçekçi model en erken ileri sürülen fikirlerden birisidir. Bu model ilk olarak 1930'da E. Münch tarafından ileri sürülmüştür. Daha sonra ise bir çok araştırıcı tarafından bazı değişiklikler yapılmıştır. Bu model basınç akış teorisi olarak adlandırılır. BASINÇ AKIŞ TEORİSİ Basınç akış teorisi, bir hidrostatik (turgor) basınç gradiyenti boyunca suda çözünen maddelerin kaynaktan havuza taşınımı esasına dayanır. Şekil 7.5'de basınç akış modeli şematik olarak gösterilmiştir.



Şekil 7.5. Floem taşınımının Münch basınç akış teorisi ile izahı. Yaprak şeker kaynağıdır, çünkü yaprak fotosentezle şekerleri üretir. Kök havuzdur, orada şekerler depo edilir ve kullanılır. Kaynaktan havuza kalburlu borularla bağlı 3 hücre ifade edilmiştir. 1) Kaynaktan en üst kalburlu boruya şekerler aktif olarak yüklenmektedir 2) Yüksek şeker konsantrasyonu, yüksek bir basınç meydana getirerek, osmotik olarak suyu ksilemden hareket ettirir. 3,4) Yüksek su basıncı, kalburlu boru üyelerinden havuza doğru kalburlu boru özsuyunun alınmasına neden olur. 5) Şeker, en alt kalburlu tüpten havuza yüklenir 6) Aşırı su havuzdan ksileme girer ve bitkiye geri döner.



128



Yaprak yakınındaki kalburlu borulardaki yüksek basıncın, şeker birikiminden meydana geldiği düşünülmektedir. Bu kalburlu borulardaki yüksek şeker konsantrasyonu, yaprağa yakın floem hücrelerindeki yüksek turgor basıncının sonucu olarak, osmoz kurallarına göre suyun ksilemden floeme hareketine neden olur. Basınç akış hipotezine göre floem özsuyunu köke iten kuvvet bu basınçla sağlanır. Köke yakın kalburlu boru elementlerindeki şekerler boşalırlar ve kök hücrelerine hareket ederler. Burada ya kullanılırlar ya da suda çözünmeyen bileşiklere (örneğin nişasta) dönüşerek depolanırlar. Köke hareket eden su, kökteki ksileme gidebilir ve bitkide tekrar devredebilir (Şekil 7.5). Basınç akış hipotezini bir düzenek üzerinde açıklamak gerekirse (Şekil 7.6): A ve C bölümleri yalnızca suya karşı geçirgen iki osmometre olsun. A'da daha yüksek konsantrasyonda tuz çözeltisi bulunsun ve her iki osmometre suya batırılsın. Burada her iki osmometreye de su girişi olacak fakat A'ya giren su miktarı daha fazla olacaktır. A'ya su girdikçe, A-B-C kapalı sisteminde bir basınç potansiyeli (hidrostatik basınç) oluşacaktır. Bu basınç potansiyeli C kısmından suyun dışarıya çıkışını sağlayacaktır. Bu durumda B boyunca bir hidrostatik basınç gradiyenti oluşacaktır. Bunun yanında A'dan C'ye doğru bir osmotik gradiyent de söz konusudur. A'mn su içeriği artıkça tuzlar C'de birikmeye başlar ve daha sonra bir denge oluşur. Bu modeli canlı sisteme uygularsak; yapraklar fotosentez esnasında şekerleri meydana getirir, böylece yaprak hücrelerinin osmotik potansiyeli düşer (bu A'ya karşılık gelir). Su, ksilemle yapraklara gelir (D'ye karşılık gelir) ve osmozla yaprak hücrelerine girerek basınç potansiyelini artırır. Aynı zamanda kök gibi organlarda (C'ye karşılık gelir) solunum ve selüloz sentezi gibi çeşitli amaçlarla bu şekerler kullanılır. Bu osmometreler arasındaki birleştirici boru (B), kalburlu borulan temsil eder. Böylece yapraklardan köke doğru bir hidrostatik basınç gradiyenti oluşur. Bu basınç, suda çözünmüş maddelerin taşınmasını sağlar. Burada dengenin sağlanması çok zordur, çünkü bir taraftan harcanma meydana gelirken (C'de olduğu gibi), diğer taraftan da üretim meydana gelir (A'da olduğu gibi). Gerçekten de bitkinin yaprak hücrelerinde fotosentez nedeniyle osmotik potansiyel yüksektir. Bu nedenle yukarıda belirtilen ilkeler kapsamında floem yoluyla osmotik potansiyeli daha yüksek mezofıl hücrelerinden kök hücrelerine, osmotik mekanizmayla sentezlenen besinler aktarılırlar.



129



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



Seçici geçirgen zar Yüksek osmotik potansiyele sahip çözdti (az sakkaroz mevcut) Saf su



Şekil 7.6. Kütle akışı hipotezinin şematik izahı. A: kaynak (yaprak), B: floem, C: harcanma yeri (kök, meristem ve meyva gibi), D: ksilem, hücre çeperi ve hücreler arası boşluk. Basınç Akış Teorisine Karşı Bazı Karşıt Görüşler İleri Sürülm üştür Floemde madde taşınmasının, yalnızca kalburlu boru hücrelerinin canlılıklarını korudukları sürece yapılabildiği bilinmektedir. Ayrıca bu taşınım diğer fizyolojik olaylarda olduğu gibi sıcaklık ve metabolik inhibitörlerden etkilenir. Bu faktörler kalburlu plakların tıkanmasına ve p-proteinlerinin inhibisyonuna neden olur. Kalburlu borulardaki maddelerin taşınımı için enerji ihtiyacı minimumdur. Dolayısıyla basınç akış hipotezi pasif karakterlidir. Bununla birlikte kalburlu elementlerin yüklenmesinde ve boşaltılmasında enerjinin kullanıldığı kesindir. Diğer bir soru basınç akış hipotezinin iki yönlü bir taşınımı açıklayamayacağı yönündedir. Aynı intemod ve petiyolden aynı anda birbirine zıt yönlerde radyoaktif karbon ve fosforun hareket ettiği deneysel olarak gözlenmiştir. Bu taşınımın, aynı iletim demetinde farklı kalburlu borularla gerçekleştirilebileceği şeklinde açıklanabileceği gibi, iki ayrı vasküler demet vasıtasıyla da açıklanabilir. Fakat aynı kalburlu boru içerisinde aynı anda her iki yöndeki hareketi basınç akış hipotezi ile açıklamak mümkün değildir. Bazı araştırıcılar aynı kalburlu boruda aynı anda farklı yönde taşınım olduğunu ileri sürmekle birlikte, bunu deneysel olarak gözlemek mümkün değildir. Bununla birlikte aynı kalburlu borudaki zıt yöndeki hareketin gerçek olmadığı konusunda da ağırlıklı fikirler vardır.



130



Floemdeki basınç gradiyentlerinin floem boyunca madde akışını sağlayabileceği konusunda da önemli deliller elde edilmiştir. Yapılan çalışmalar kaynak bölümündeki kalburlu boruları turgor basıncının 1-1,5 MPa, havuzda ise sıfıra yaklaştığını göstermiştir. Diğer taraftan su ve osmotik potansiyel yardımıyla kaynak ile havuz arasındaki basınç farklılığının 0,41 MPa olduğu hesaplanmıştır. Ayrıca basınç akış modeli ile translokasyonun gerçekleşmesi için basınç farklılığı 0,12-0,46 MPa olarak bulunmuştur. Floemdeki taşınım hızının bu teoride beklenenden çok daha fazla olduğu şeklindeki karşıt fikirlere cevap olarak Fisher (1978) tarafından yapılan çalışmalar gösterilmiştir. Fisher 0,2 MPa’lık bir basınç düşüşünün, kalburlu plak porlarının tamamıyla açık olması durumunda 160 cm’lik bir mesafeye 48 cm/s hızla taşınabileceğini göstermiştir.



OKUMA PARÇASI 7.1. ORGANİK MADDE TAŞINIMI İLE İLGİLİ ESKİ TEORİLER Protoplazmik Akış Teorisi Wries (1885) bitkilerde organik madde taşınmasının protoplazmik akışla sağlandığını bildirmiştir. Bu teoriye göre taşman organik madde partikülleri bir kalburlu boru hücresinin sirkülasyon halindeki sitoplazması tarafından hücrenin bir ucundan diğer ucuna taşınır. Bu partiküllerin kalburlu plaklardan geçişleri kalburlu boru hücrelerinin arasında bulunan sitoplazmik uzantılarla olur (Şekil OP 7.1). Araştırıcılar protoplazma akışının aynı zamanda organik maddelerin hızlı taşınmalarını açıklayabilecek bir taşınma mekanizması olduğunu belirtmişlerdir. Aynı zamanda kalburlu boru eleman lan arasında bağlantı sağlayan protoplazma uzantılannda partiküllerin bir elementten diğerine geçtiği ve bu hareketin floem borulannda iki yönlü olabileceği de belirlenmiştir. Ancak bu teori son zamanlarda desteğini oldukça yitirmiştir. Nitekim bu şekilde bir taşınımın olabilmesi için sitoplazmanm metabolik etkinliğinin olması gerekir. Oysa olgun ve madde taşmımında iş gören bir kalburlu boru elemanında, sitoplazma nukleustan yoksun olup, metabolik bir etkinliğe de sahip değildir.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞ1NIMI



131



O



-Kalburlu plak



^ Maddenin aşağıya hareketi



A Maddenin yukarıya hareketi 1



O ° O• ° * o



o o



0 o



Şekil O P 7.1. Protoplazmik akış teorisinin izahı



Elektroosmoz Hipotezi Fensom (1957) ve Spanner (1958) adlı araştırıcılara göre bir kalburlu boru hücresinden diğerine uzanan protein lifleri, K+ iyonları, su ve diğer çözünmüş maddeleri birlikte taşır. Bundan sonra iyonlar, arkadaş hücreleri veya hücre çeperi üzerinden pasif olarak geri döner ve ATP enerjisi kullanılarak aktif bir şekilde diğer kalburlu boru hücresine pompalanır. Böylece kalburlu boru hücreleri arasında bir K+ yoğunluğu farkı dolayısıyla bir elektriksel potansiyel farkı meydana gelmekte ve bu yoğunluk gradiyenti boyunca protein lifleri üzerinde potasyum iyonları, organik maddeleri beraberinde götürerek taşımaktadır. Ancak bu sistemin çalışabilmesi için 100 000 volt civarında bir elektriksel potansiyel farkının oluşturulması gerekir. Floemdeki sistemde bunun oluşabileceği tahmin edilmemektedir. Hücreden hücreye geçen protein liflerinin floem taşınımında iş gördüğünü Thaine (1961) ileri sürmüştür. Bu araştırıcı mikroskop altında bu lifler üzerinde hareket eden partiküller gördüğünü belirtmiştir. Buna göre bu liflerin bazıları birbirinin aksi yönde madde taşımaktadır. 1968’den sonra yapılan araştırmalarda, ultramikroskobik



132 protein liflerinin gerilip-kasıİma (peristaltik hareket) hareketlerine benzeyen kasılma hareketleriyle bu taşınımın yapıldığını gösteren ipuçları ortaya konmuştur.



Aktif Taşıyıcılar Sistemi Swanson (1959), bazı durumlarda organik maddelerin yoğunluk gradiyentinin tersi yönünde yani osmotik kuralların tersine taşındıklarını belirtmiştir. Özellikle yapraktaki



organik maddelerin



hücreden hücreye



ve



en



sonunda da floeme



taşınmalarının eneıjiye ihtiyaç duyan bir olay olduğu kabul edilir. Son araştırmalarda, şeker fosfatların membranlardan geçişlerinde bu tür aktif taşıyıcıların rol oynadıkları konusunda önemli deliller elde edilmiştir. Bu teoriye göre, sakkarozun fosforilasyonu onun zardan geçmesini kolaylaştırır.



FLOEMİN YÜKLENMESİ VE BOŞALMASI Floemdeki translokasyonla ilgili olarak, fotosentetik mezofıl hücrelerinden kaynak bitimindeki kalburlu elementlere (floem yüklemesi) veya kalburlu elementlerden havuz sonundaki hedef hücrelere (floem boşalması) sentezlenen maddelerin nasıl iletildiği tam olarak anlaşılamamıştır. Çünkü kaynak olan yapraktaki kalburlu boruların şeker konsantrasyonu, yaprağın fotosentetik hücrelerindeki şeker konsantrasyonundan genellikle yüksek olmasından dolayı, bu şekerlerin difıizyonla kalburlu boru elementlerine hareket etmesi beklenemez. Son çalışmalar, şekerlerin yaprak hücrelerinden bitişik kalburlu boru elementlerine aktif olarak yüklendiğini göstermiştir. Aktif yüklemenin anlamı, metabolik enerji harcanmasıdır. Yapraklardaki vasküler sistemin geniş bir dallanma göstermesi yükleme işlemini kolaylaştırır. Örneğin yaprağın santimetre karesine düşen vasküler damarların uzunluğu 1 metreye yaklaşır. Fotosentetik hücrelerden kalburlu boru elementlerine şekerlerin taşmımı, kalburlu borulara çok yakın olan özel transfer hücreleri ile gerçekleştirilir. Birçok türde, şekerleri üreten fotosentetik hücre ile şekerlerin aktarıldığı en yakın damar arasındaki ortalama mesafe sadece 65 mm (0,065 mm) dir. Bu özel transfer hücreleri özelleşmiş floem parankima hücreleridir. Söz konusu bu hücrelerin en önemli özelliği, hücre çeperinin iç kısma doğru büyümesiyle hücre hacmine oranla plazma membranı alanının artmasıdır. Bu genişleyen yüzey, hücreler arasındaki metabolitlerin taşımınım artırır. Aynı zamanda bu transfer hücreleri, yoğun bir sitoplazmik içeriğe sahip olup, kalburlu boru



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



133



elemanlarına çok sayıda protoplazmik bağlarla (plasmodesma) bağlanırlar. Plasmodesmalarla parankima hücrelerinden kalburlu element-arkadaş hücre kompleksine geçiş simplastik yol olarak bilinir. Bu yol dışında şekerler, mezofîl hücre zarından geçer ve hücre çeperine bırakılır. Buradan ise kalburlu element-arkadaş hücre kompleksi tarafından alınırlar. Bu yol ise apoplastik yol olarak adlandırılır (Şekil 7.7a). Sakkaroz ve diğer şekerler, kalburlu elementarkadaş hücre kompleksine seçici olarak, bir konsantrasyon gradiyentine zıt yönde aktif transportla yüklenir. Burada muhtemelen sakkarozun alınımı ATP’ye bağımlıdır ve proton alınımı ile bağlantılıdır (şeker- H+ ortak taşımını) (Şekil 7.7b).



Şekil 7.7. (a) Kaynakta şekerlerin yüklenmesi. Bu yükleme olayı iki yolla gerçekleşebilir: (1) kalburlu elementler plasmodesmalarla kaynak hücrelere bağlanmıştır (simplastik yol). (2) şekerler hücre çeperine bırakılır, daha sonra ise aktif olarak kalburlu elementlere alınır (apoplastik yol), (b) ATPaz yardımıyla şeker alınımı (şeker- H+ortak taşınımı). Organik maddeler floemle kökün kalburlu boru elemanlarına hareket ettikten sonra floem boşalması olayı meydana gelir. Floem boşalması şekerlerin ve diğer organik maddelerin kalburlu boru elementlerinde hareketini başlatır ve kök hücrelerine doğru bir taşınım gerçekleşir. Boşaltma mekanizması, doldurma mekanizm'asmdan daha az araştırılmasına rağmen, bu konuda yapılan çalışmalar boşalmanın genç yapraklar gibi bazı havuz çeşitlerinde aktif bir olay olduğunu



134



göstermiştir. Sentezlenen maddeler havuza ulaşınca, havuz dokusu hücrelerine kalburlu element-arkadaş hücre kompleksi tarafından boşaltılır. Esas olarak boşaltma mekanizması, yüklemeye çok benzerdir, sadece yönleri farklıdır. Floem yüklemesinde olduğu gibi floem boşalmasında da simplastik ve apoplastik yollar fonksiyon görürler. Apoplastik yol genellikle genç, büyüyen yapraklar ve kök uçlarında belirlenmiştir. Havuza taşınan sakkaroz, glukoz ve fruktoz hidroliz olur ve havuz hücreleri tarafından aktif olarak alınırlar. Havuz hücrelerinde tekrar sakkaroz oluşur ve yine aktif yolla vakuollere alınarak depolanır (Şekil 7.8).



i 03 ^ O ~ T m (D >



Plazmodesma (simplastik yol)



>



W Glukoz > © ► Sakkaroz \ Sö Fruktoz O N ® I —Q '



Q



► ^



Sakkaroz



o d o o Kalburlu element



Hücre çeperi arası Havuz hücre (apoplast)



Şekil 7.8. Şekerlerin havuza boşaltılması için muhtemel yollar.



FOTOSENTEZ ÜRÜNLERİNİN DAĞITIMI (ALLOKASYON) Sentezlenen fotosentetik ürünlerin (karbon fıksasyonu), çeşitli metabolik yollara ayırımının düzenlenmesi allokasyon (dağıtım) olarak adlandırılır. Sentezlenen fotosentetik ürünler esas olarak; metabolik kullanım (yaprak metabolizması ve yaprak biyomasının sentezi), depolama ve transport (bitkinin diğer kısımlarına taşınma) olmak üzere 3 şekilde dağıtılır. Metabolik kullanım, hücre için gerekli bileşiklerin sentezi ile ilgili karbon iskeletini ve enerjiyi karşılamak için fikse edilen karbonun kullanılmasıyla ilgilidir.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIM!



135



Depo bileşiklerinin sentezi ile ilgili en önemli bileşik nişastadır. Nişasta kloroplastlarda sentezlenir ve kısa süreli olarak depolanır. Çoğu türlerde geceleyin depo organlarına aktarılır. Bazı bitkilerde nişasta yerine fruktanlar (polimerize fruktoz molekülleri) kullanılır. Transport bileşiklerinin sentezinde fikse edilen karbon, çeşitli havuz dokularına taşınmak için transport şekerlerine dönüşür.



KSENOBİYOTİKLERİN TRANSLOKASYONU Ksenobiyotikler (bir organizma için yabancı olan biyolojik olarak aktif bileşiklerdir) ziraatta çok sık kullanılan kimyasallardır. Herbisitler, büyüme düzenleyicileri, fungisitler ve insektisitler gibi ksenobiyotiklerin taşmımı ve absorbsiyon hızı, bu maddelerin etkinliğini belirler. En önemli örnek, geniş spektrumlu bir herbisit olan c-fosfonometilglisindir (glifosat). Glifosat, aromatik amino asit sentezini, protein sentezini, oksin ve diğer önemli metabolitlerin sentezini engeller. Çünkü glifosat floemde çok hareketli olup, yapraklara uygulandığında yabani otların etkili bir kontrolü için hızlı bir şekilde meristematik bölgelere, toprak altındaki rizomlara taşınır. Ksenobiyotiklerin hücreye almımı (özel taşıyıcılara sahip olmadıklarından) muhtemelen pasif difüzyonla gerçekleşir. Çünkü ksenobiyotikler, lipidde çözünebilme özelliğindedirler.



TRANSLOKASYONUN İÇSEL DÜZENLENMESİ Bir kaynaktan bir havuza organik maddelerin taşmımı, bitkilerdeki büyüme ve gelişmenin koordinasyonuna benzer olarak canlılıkla ilgilidir. Translokasyon modeli, oluşan yeni havuzlara göre (örneğin büyüyen meyveler, lateral kökler ve tuberler) değişebilir. Ayrıca kaynak olarak genç yapraklar fonksiyonel oldukça ya da olgun yapraklar kaybedildikçe translokasyonda değişimler meydana gelir. Ciddi bitki hasarlarına cevap ya da normal gelişme esnasında translokasyon olayında kontrollü değişimlerin meydana geldiği yolunda bazı deliller vardır. Bir bitkinin fotosentezinin az aktif olduğu, kuru ağırlık artışının ve gelişiminin yavaş olduğu erken büyüme aşamalarında, bitkiye ait yapraklar sentezledikleri maddeleri kendisi kullanır. Yani yapraklar havuz görevi görür ve dışarıya madde .vermezler. Şekil 7.9’da görüldüğü gibi yapraklar tam boyutunun % 30’una kadar büyüdüğü zaman ancak dışarıya madde vermeye başlarlar. Kısaca yapraklar, belirli bir büyüme sezonundan



136



sonra dışarı madde verici (kaynak) olarak görev yaparlar. Bir genç yaprağın fotosentetik kapasitesinin gelişmesi ile onun dışarıdan madde alması arasında iyi bir ilişki vardır. Genç fasulye yapraklarında ( ) yaprak tam boyutunun yaklaşık % 8'ine ulaşıldığı zaman, içeriye madde alma aktivitesinde hızlı bir azalma meydana gelir. Bu anda bu yaprağın fotosentetik aktivitesinde büyük bir artış vardır (Şekil 7.9). Kaynaktan havuza maddelerin translokasyonu normal olarak baskın bir olaydır. Yani maddeler bitki boyunca aşağıya ve yukarıya az da olsa lateral hareket edebilirler. Ağaçlarda her 50 cm'lik longitidunal (eksensel) taşınım başına yaklaşık 1 cm'lik lateral taşınım meydana gelir.



Şekil 7.9. Büyüyen bir fasülye yaprağında fotosentez hızı ve import (madde girişi) aktivitesinin karşılaştırılması. Yaprak, boyutunun % 8'ine ulaştığı zaman, fotosentez hızı büyük ölçüde artmaya başlar. Yaklaşık olarak aynı zamanda, yaprağa organik maddelerin importu, hızlı bir şekilde azalmaya başlar. Fasulye bitkisinde iki genç havuz yaprakçıklara olgun bir kaynaktan meydana gelen translokasyon modeli Şekil 7.10'da gösterilmiştir. Burada kaynak yapraklarının hemen yukarısındaki havuz yaprakçıkları yer alır. Bu iki kaynak yaprağın birisi uzaklaştırıldığı zaman, kalan kaynak yapraktan çıkış büyük ölçüde artar ve eşit olarak iki havuz yaprakçığa dağılır. Bu tip dağılım bütün bitkilerde gözlenmemesine rağmen, bitkilerdeki organik madde dağılımının içsel kontrol altında olduğu hakkında önemli deliller vardır.



BÖLÜM 7 BİTKİLERDE ORGANİK MADDELERİN TAŞINIMI



137



ORGANİK MADDE TAŞINIMINI ETKİLEYEN BAZI FAKTÖRLER Organik maddelerin düzenli bir şekilde gerekli yerlere iletilmesi bitkinin gelişimi ve verimi açısından çok önemlidir. Bitkilerdeki bu taşınım olaylarını bazı faktörler önemli derecede etkiler. Bu faktörlerden bazıları aşağıda açıklanmıştır.



Şekil 7.10. Kaynak bir yapraktan iki havuz yaprakçığa taşınan maddelerin dağılımı a) Fasülye fıdesinin iki olgun kaynak yaprağı (L ve R) ve iki büyüyen havuz yaprakçığı (1 ve r). R'deki taşınım üzerinde durulursa; r yaprakçığı, 1 yaprakçığından 5-10 kat daha fazla madde alır (1 yaprakçığı da L yaprağından, r'ye oranla 5-10 kat daha fazla madde alır), b) L yaprağı kesildiği zaman; R'den l'ye madde taşınımı hızlanır ve artar, c) L'nin uzaklaştırılması üzerine R'den l'ye taşımındaki artış, R'den r'ye taşımındaki azalmayla meydana gelmez. Bunun anlamı, L uzaklaştırıldığı zaman R’den toplam eksport (madde çıkışı) büyük ölçüde artar.



Borun Karbohidrat Taşımmında Önemli Olduğu Bulunmuştur Gauch ve Dugger (1953), borun radyoaktif sakkarozun taşımınım büyük ölçüde artırdığını gözlemişlerdir. Daha sonra, bor eksikliği belirtileri gösteren domates ve ayçiçeği bitkilerinde yapılan çalışmalar, bor eksikliğinin karbohidrat



138



taşmımmı büyük ölçüde engellediğini göstermiştir. Bu durum bor ile sakkaroz arasında iyonize olabilen bir kompleks oluşması ve bu kompleksin, hücre membranlarmdan daha kolay geçebilmesiyle açıklanmıştır. Ayrıca borun G-lP'ın nişastaya enzimatik dönüşüm hızını azalttığı da bildirilmiştir. Nitekim bu durumda, taşınabilecek formdaki şeker miktarı da artmış olur. Bor dışında diğer mineral eksikliklerinin floem taşınımında pek etkileri görülmemiştir. Bitkisel Hormonlar Bitkisel hormonlar, bitkinin aktif büyüme gösteren merkezleriyle sıkı bir ilişki içinde olduklarından, floem taşınımı üzerinde dolaylı da olsa güçlü bir etkiye sahiptirler. Büyüme hormonlarının teşvik ettiği hücre ve doku düzeylerindeki büyüme sonucu, hammadde ve enerji kaynağı olarak, bu bölgelere metabolizma ürünlerinin taşınması gerekir. Bu büyüme merkezleri metabolizmalarının, taşınım üzerinde önemli rol oynadıklarına inanılmaktadır. Araştırıcılar, yapraklarda bulunan hormonların, floemde madde taşınımı üzerinde etken olduğunu bildirmişlerdir. Büyüme hormonlarından kinetin, suda çözünebilir azotlu bileşiklerin taşınımını etkilemektedir. Özellikle yeşil yapraklara püskürtülen kinetinin, yaprakların sararmasını engellediği, yaprak ayasının yarısı sararan yapraklara püskürtülen kinetinin ise, yeşil kısımlardan yapılan taşınmayla yeşillendiği bilinen olaylardır. Diğer taraftan uç kısımları koparılmış bitkilere uygulanan indolasetik asidin sakkaroz taşınımını artırdığı bulunmuştur. Çevresel Kirleticiler Bütün zirai ve bahçe bitkilerinin gelişimi için translokasyon çok önemli olduğundan, bu olay üzerine hava kirleticilerinin zararlı etkileri ile ilgili yoğun çalışmalar yapılmıştır. Daha sonraki bölümlerde ifade edileceği gibi çevresel kirleticilerin bir çoğu (örneğin kükürt dioksit, duman, pestisitler) bitkilerdeki fotosentetik üretimi azaltır. Fotosentezi engelleyen maddelerin, organik maddelerin translokasyonunu da azalttığı düşünülmektedir. Translokasyonun inhibisyonunun direk mi yoksa fotosentez olayı ile indirekt mi olduğunu belirlemek çok zordur. Bununla birlikte, Teh ve Swanson, kükürt dioksitin fasulye bitkilerinde ( Phaseolusvulgaris) şeker translokasyonunu fotosentezden daha etkili bir şekilde inhibe ettiğini göstermiştir. Bu iki araştırıcının elde ettikleri bu bilgiler, kükürt dioksitin şekerlerin floeme yüklenmesi ile ya da translokasyon olayı ile doğrudan ilişkisine işaret eder. Bu bulgular bitkilerde translokasyon üzerine diğer hava kirleticilerinin etkilerini de doğrular.



BOLUM O



FOTOBİYOLOJİ: IŞIK VE PİGMENTLER Işığın biyolojik olaylarla ilişkisini 3 kategoride incelemek mümkündür: 1) Işığın hücre ya da organizma üzerinde öldürücü etkileri vardır. Bu etki insanlık için bazen yararlı (örneğin ışığın bakterisidal etkisi gibi), bazen de zararlı olabilir (örneğin deride yaşlanma, çeşitli alerjik etkiler, hatta kanser oluşumu gibi) 2) Işık, bir organizmanın çevresi hakkında bilgi elde etmek için kullanılır. Bitkilerde bu kapsamda en önemli olay fotoperyodizmdir. Aynı zamanda ışık, serbest veya bir yere bağlı bitkilerin hareketinde çok önemlidir. Benzer olarak bazı kuş ve böceklerin yön bulmasında ışığın rolü büyüktür. 3) Işık, bitkilerde fotosentezde ve biyomas (biyokütle) üretiminde kullanılır. Bu olaylara bağlı olarak ışık, biyolojik enerji formlarının ilk kaynağını oluşturur. Bitkiler hem enerji hem de bilgi elde etmek için fotosistemlere sahiptirler. Bunlar fotosentetik sistemler, fıtokrom sistemleri ve mavi ışık fotosistemleri olmak üzere 3 gruba ayrılabilir. Bu fotosistemler hakkında aşağıda daha geniş bilgiler verilecektir. Bitkiler sadece enerji ve bilgi elde etmek için ışığa muhtaç değildirler. Aynı zamanda büyüme ve gelişmesini tamamlayabilmeleri için de ışığa ihtiyaç duyarlar (fotomorfogenesis). Bitki başlangıçta bir tohum ya da diğer bir organdan gelişme sırasında heterotrofik olarak, depolanan besin rezervlerini kullanır. Daha sonra ışığa maruz kalmasıyla bağımsız ototrofik bir organizmaya dönüşür. Deetilasyon olarak adlandırılan bu safhada çok bariz olarak meydana gelen olaylardan birisi fotosentetik kapasitenin artmasıdır. Ayrıca morfolojik olarak (yapraklarda genişlemenin başlaması, gövde uzamasının yavaşlaması),



140



hücresel seviyede (kloroplast gelişimi) ve moleküler seviyede (pigment ve enzim sentezi) de değişimler meydana gelir. Fotomorfogenesis ileride detaylı olarak anlatılacaktır (bak Bölüm 18). Güneş, önemli bir ışık, dolayısıyla biyolojik olarak önemli bir enerji kaynağıdır. Güneşin yaydığı ışınların yarısı atmosfer tarafından yayılarak, spektrumun sadece 300-1000 nm arasında dalga boyuna sahip ışık enerjisi canlılık olaylarına etki eder. Doğal olarak ay ışığının bitki büyümesi üzerine önemli bir etkisi bulunamamıştır.



IŞIK BİTKİLER İÇİN ÖNEMLİ BİR ÇEVRESEL FAKTÖRDÜR Yukarıda belirtildiği gibi ışık enerjisi bitkiler tarafından iki farklı yolla kullanılır. Bunlardan birisi enerji, diğeri ise bilgi elde etmek (gece gündüz ve mevsimleri tanıma gibi) içindir. Özellikle bitkilerin bilgilenmek için sadece ışığı kullanmaları çok önemlidir. Bu olayda ışığın miktarı, kalitesi, yönü ve peryodisitesi önemli rol oynar. Işık kalitesi; ışığın tipi, rengi ve dalga boyu gibi özelliklerini ihtiva eder. Işığın kalitesi farklı ortamlarda önemli değişim gösterir. Örneğin gölge şartlarında ve suyun farklı derinliklerinde ışığın kalitesi farklıdır. Işık kantitesi (miktarı); ışığın enerji miktarını, yoğunluğunu, foton sayısını ve akış hızı gibi özelliklerini ifade eder. Farklı iklim koşullarında, yılın farklı zamanlarında ve farklı habitatlarda ışık enerjisinin miktarında önemli varyasyonlar görülür. Aynı zamanda ışığın yönünde de, farklı habitatlarda büyük bir varyasyon söz konusudur. Işık peryodisitesi; düzenli varyasyonları kapsar ve bu varyasyonun iki şekli vardır. Bunlardan birisi kısa süreli olan gece ve gündüzden oluşan günlük, diğeri ise uzun süreli gün uzunluğu ile değişen mevsimsel değişimdir. Peryodisitenin özellikleri organizmalar için geçici bilgilerin önemli bir kaynağını oluşturur. Bilindiği gibi sıcaklık da günlük ve mevsimsel bir değişim gösterir, fakat bu kesin bir sabitliğe sahip değildir. Bununla birlikte ışık enerjisi gün uzunluğunun mevsimsel devamı yoluyla gerçek ve güvenilir bir sabitliğe sahiptir. Bitkiler diğer çevresel şartlardaki değişimlere hazırlanmak için bu ışık saatini kullanırlar. Örneğin, kısa gün uzunluğu kışın uygun olmayan büyüme koşullarını haber verir. Bunun yanında peryodisite, bazı türlerde gelişimin generatif ve vejetatif safhalarını başlatmak için etkili bir uyartıdır.



BÖLÜM



8FOTOBtYOLOJt: IŞIK VE PİGMENTLER



141



IŞIĞIN YAPISI On sekizinci yüzyıldan beri beyaz ışığın, bir cam prizmadan geçirilmesi ile kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor ışınlara ayrıldığı, yani bir spektrum oluşturduğu bilinmektedir (Şekil 8.1). Bu spektrumun bir ucunda mor, diğer uçta kırmızı renk yer alır. Ayrıca ışığın partikül halinde değil de dalga şeklinde hareket ettiği belirlenmiştir.



Şekil 8.1. Bir prizma tarafından beyaz ışığın kırılması (Kaufman’dan) On dokuzuncu yüzyılda İngiliz fizikçisi James Clerk Maxwell görünür ışığın, elektromanyetik spektrum adı verilen daha büyük bir ışık spektrumunun çok küçük bir kısmını oluşturduğunu göstermiştir (Şekil 8.2). Bu aralık, çok kısa dalga boylu kozmik ışınlardan (yaklaşık 10'14 nm veya 10'l7nm), çok uzun dalga boylu radyo dalgalarına (ya metre ya da binlerce metre) kadar uzanır. Işığın, insan gözü tarafından alınan elektromagnetik spektrum kısmı 400 nm ile 735 nm (kırmızı) dalga boyundaki ışınları içerir (Şekil 8.2). Kırmızı bölgenin ötesindeki ışınlar kırmızı ötesi ışınlar (infra red) olarak adlandırılır. Bunlar görünür ışınlar olmayıp, ancak ısı olarak hissedilirler. Bu ışınlar yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık yarısını içerirler. Yeşil bitkiler fotosentez için kırmızı ötesi ışınları kullanamazlar, bu ışınları ancak bazı fotosentetik bakteriler kullanabilirler. Görünen spektrumun mor ucundan daha kısa dalga boylu ışınlar (10 nm'ye kadar uzanırlar) ultraviyole ışınları (UV) olarak adlandırılırlar. Ultraviyole ışınları görülmez ve güneş enerjisinin çok küçük bir kısmını teşkil ederler. Güneşten gelen UV ışınlarının çoğunluğu atmosferin genellikle üst katmanlarında yerleşen oksijen (0 2) ve ozon (0 3) (bu iki molekül birbirine dönüşebilir) tarafından absorbe edilir. Oksijen ve ozon tarafından UV absorbsiyonu çok önemli olup, canlı organizmaları UV ‘nin zararlı etkilerinden korurlar.



142



uzun dalga boylu U V



kısa dalga boylu U V



2 0 3 (ozon)



302



->



302



Elektromanyetik spektrum içerisindeki bu ışık, hem partiküllerin (fotonlar olarak adlandırılır) hem de bir göl üzerindeki dalgaların özelliklerine sahiptir. Bütün ışınlar kendilerine özgü bir dalga boyuna sahiptirler. Bir ışığın dalga boyu, göl üzerindeki bir dalganın tepesi ile komşu dalganın tepesi arasındaki mesafe gibi düşünülebilir (Şekil 8.2). Dalg^ boyu (C m ) 'O



rr



O



O



V Ultraviyole Görünür Radyasyon



t



t



ş&İTuruncu ş



i*'S! '?**■'



:t f e ş y i 390



422



492



535



586



-



647



:



735



Dalga boyu (nm ) Dalga boyu



W Şekil 8.2. Kısa dalga boylu kozmik ışınlardan uzun dalga boylu radyo dalgalarına kadar elektromagnetik spektrumun dalga boyları (Kaufman’dan) Işık enerjisi, kuantum olarak adlandırılan farklı paketler halinde absorbe edilir. Işığın dalga boyu ile kuantum değeri arasında ters bir orantı vardır. Yani kısa dalga boyuna sahip kuantum, uzun dalga boylu kuantumdan daha fazla enerjiye sahiptir. Örneğin, 450 nm dalga boyundaki (450x10'7 cm) mavi ışık kuantumu l,16xl0‘19 cal'lik bir enerjiye sahip iken, 650 nm dalga boyundaki kırmızı ışık kuantumu yaklaşık olarak 0,8xl0'19 cal'lik bir enerjiye sahiptir. 1000 nm’den daha büyük dalga boyundaki ışık, herhangi bir molekülde fotokimyasal bir değişime neden olamayacak kadar az enerjiye sahiptir. Bu



BÖLÜM 8 FOTOBİYOLOJİ: IŞIK VE PİGMENTLER



143



nedenle bu bölümde biyolojik bir aktivite gözlenemez. Fakat 300 nm’den daha az dalga boyundaki ışık kimyasal bağları kırmak için yeterli enerjiye sahiptir. Alman fizikçisi Max Planck, ışığın kuantum enerjisi (e) ile dalga boyu (A) arasında bir eşitlik geliştirdi; e = hc/A. Burada e; kalori cinsinden enerjiyi, c; saniyede santimetre olarak ışığın hızını (2.998xl010 cm/sn), A; santimetre cinsinden ışığın dalga boyunu, h; plank sabitini (l,583xl0‘34 cal/sn) ifade eder.



FOTORESEPTÖRLER KLO RO FİLLER Bunlar yeşil renkli pigmentler olup, fotosentez olayında temel rolü yüklenmişlerdir.



Bitkilerde 4 farklı klorofil ekstrakte edilmiştir. Bunlardan



klorofil a, bitkiler aleminin bütün fotosentez yapan türlerinde, klorofil b ise Chlorophyceae ve Euglenophyceae familyalarına ait alglerde (diğer alglerde bulunmuyor), karayosunları, eğreltiler ve yüksek bitkilerde bulunurlar. Klorofil a ve b, bakteriler dışında tüm fotosentez yapan canlılarda en fazla bulunan klorofil çeşitleridir. Klorofil c, yine alglere ait Phaeophyceae, Chryophyceae, Cryptophyceae ve Basillariophyceae familyalarında bulunur. Klorofil d ise birçok Rhodophyceae türlerinde mevcuttur. Bunlardan başka bakterilerde bakteriyoklorofil a ve b, klorobiyum (bakteriyoviridin) gibi klorofil çeşitleri de bulunmaktadır. Klorofil molekülü merkezde bulunan bir Mg atomunun çevresinde yer alan 4 tane pirol halkasından oluşur (Şekil 8.3). Bu tetrapirol halkasına porfirin adı verilir. Pirol halkalarından birine (molekülün 7. karbon atomuna) uzun ve düz zincirli bir alkol olan fîtol ester bağı ile bağlanmıştır. Klorofil a ve b molekülleri arasında çok küçük bazı farklılıklar vardır: Örneğin klorofil a'da 3. karbon atomuna metil grubu bağlanmasına karşın, klorofil b'de aynı karbon atomuna bir aldehit grubu bağlanmıştır. Kimyasal yapılarındaki bu küçük farklılığa bağlı olarak, klorofil a ve b molekülleri hem çözünürlük ve hem de ışığı absorbe etme yönünden birbirlerinden ayrılırlar. Örnek olarak, klorofil a petrol eterinde, klorofil b ise en iyi metil alkolde çözünür. Mavi-mor bölgede klorofil a 429 nm, klorofil b ise 453 nm, kırmızı bölgede klorofil a 660 nm, klorofil b ise 642 nm dalga boylarında en yüksek absorbsiyon gösterirler (Şekil 8.4). Işık spektrumunun değişik dalga boylarında, çeşitli bitkiler için fotosentez hızı ölçüldüğünde, maksimum fotosentez hızının, klorofilin maksimum absorbsiyon yaptığı bölgeye düştüğü görülmüştür.



144



ch



2 ~CH S



Şekil 8.3. Klorofil molekülünün yapısı



Şekil 8.4. Klorofilin absorbsiyon spektrumu



Klorofilin Sentezlenmesi Önceleri bitkilerde klorofil sentezinin glisin ve süksinil CoA ile başladığı belirlenmişti. Bu iki bileşikten y-aminolevunilik asit sentaz yardımıyla sentezlenen aminolevunilik asitin, klorofilin porfirin kısmının ilk öncül



145



BÖLÜM 8 FOTOBİYOLOJİ: IŞIK VE PİGMENTLER



maddesini oluşturduğu ileri sürülmekteydi. Fakat son yıllarda aminolevunilik asitin glutamik asitten değişik reaksiyonlarla oluştuğu kaydedilmiştir. Aminolevunilik asitten sonraki reaksiyonlar aşağıdaki şekilde gösterilmiştir (Şekil 8.5). Burada



Mg-porfırin



halkasına



metil



grubunun



katılması



ile



protoklorofıllit meydana gelir. Protoklorofillitten klorofıllit oluşumu için ışığa ihtiyaç duyulur. Daha sonra klorofıllite fitol adı verilen kuyruk kısmının takılması ile klorofil a molekülü oluşur. Klorofil a molekülü de klorofil b molekülünün sentezinde kullanılır. Klorofilden fîtolü uzaklaştıran enzime klorofıllaz adı verilir. Bu enzimin katalizlediği reaksiyon dönüşümlü olup, aynı zamanda klorofıllit de klorofile dönüşebilir. Etiol fideler (karanlıkta büyütülmüş fideler) kuvvetli bir ışığa maruz bırakılırlarsa ihtiva ettikleri protoklorofıllit klorofıllite indirgenir ve daha sonra fitol kısmı ile esterleşerek klorofil a meydana gelir. Eğer bu fideler tekrar karanlığa bırakılırsa yine protoklorofıllit oluşur. Yapılan çalışmalarda kısa süreli flaşlarla verilen ışınların klorofil sentezleyebilecek yetenekte olduğu belirlenmiştir. Glutamat--------fût -ketoglutarat



Süksinat+Glisin



^ ■ Dıoks oval erat— ^Aminolevunilik asit Glutamat-1-P.___ 2x £ * _2H20 ......+t Glutamik ^... semialdehit Porfobilinojen 4x



-N H 3



Uroporfirinojen III Protoklorofil 1



-4 C 0 2



J,



H20



Protoklorofillit +6H



Işık V Klorofil a ^



0



adenosılmetıomrı



m onom S S est^^ Protopor firin



Geranil geranilpirofosfat



Koproporfirinojen \ -2C02,AH



Protopor firinojen ' 6H



> Klorofil b -2 H



Bakteriyoklorofil



Şekil 8.5. Klorofil sentezi Çoğu bitkiler klorofil sentezi için ışığa ihtiyaç duymasına karşılık, bazı kozalaklı bitki fideleri karanlıkta klorofil sentezleyebilmektedir. Kahverengi ve mavi-yeşil algler gibi bazı alglerde de benzer bir durum vardır.



146



KAROTENOİDLER Karotenoid pigmentlerinin renkleri sarıdan mora kadar değişen lipid yapısındaki bileşiklerdir. Hemen hemen yüksek bitkilerin tümünde, alglerin çoğunda ve bir çok mikroorganizmada bulunurlar. Karotenoidler fotosentezde rol oynamalarına karşın başka görevler de yaparlar. Çünkü funguslar gibi fotosentetik olmayan bitki türlerinde de mevcutturlar. Yüksek bitkilerin yapraklarında, çiçek petallerinde, anterlerde, bazı bitkilerin polenlerinde ve Euglena'nın eyespotlarında bulunurlar. Karotenoidlerden en çok rastlananı turuncu renkli karotendir. C40H56 kapalı formülüyle gösterilen karotenlerden bitkilerde en çok bulunanı Pkarotendir. Domates ve diğer bitkilerde bulunan ve karatenle aynı kapalı formüle sahip olan kırmızı pigment maddesi likopendir. Karotenoidlerden sarı renkli olanlar ksantofiller olup, C40H56O2 kapalı formülüne sahiptir. Ksantofıller diğer karotenoidlere oranla bitkilerde daha yaygın olarak bulunurlar. Yeşil yapraklarda bulunan bazı ksantofıllere örnek olarak kriptoksantin, lutein, zeaksantin, violoksantin ve neoksantin verilebilir. Karotenoidler, klorofil pigmentleri ile birlikte kloroplastlarda veya kromoplastlarda yerleşmiş olup, suda çözünmeyen bir protein kompleksi halinde bulunurlar. Böylece klorofil ve karotenoidlerin, kloroplastlardaki granalarda aynı protein molekülü ile fotosintin adı verilen bir kompleks oluşturdukları bildirilmiştir. Karotenoidlerin fotosentezdeki görevleri dolaylıdır. Çünkü karotenoidler bakımından zengin dokular, eğer klorofil ihtiva etmiyorsa fotosentez yapamazlar. Karotenoidlerin absorbe ettikleri ışık enerjisi, sonuç olarak klorofil a'ya aktarılır. Diğer taraftan karotenoidler fotodinamik hasara (ışık tarafından canlılarda meydana getirilen arızalar) karşı canlı organizmaları korurlar. Fotodinamik hasar, uyarılmış singlet durumundaki oksijen (superoksit radikali, O'2) tarafından (atmosferdeki normal oksijen triplet durumundadır) meydana getirilir. Singlet oksijen çok aktif olup, bazı organik bileşikleri okside ederek, onların normal fizyolojik fonksiyonlarını engeller. Oksijenin singlet durumuna getirilmesi, enerji ile gerçekleştirilir ve bu enerji genellikle bir fotosensör yardımıyla ışıktan sağlanır. Klorofil bu iş için uygun bir fotosensördür. Özellikle klorofilin triplet formu, singlet oksijen formunun oluşmasına aracılık eder. Bitkilerde superoksit radikalini parçalayan enzimler (superoksit dismutaz) mevcut olmasına rağmen, karotenoidler, ya triplet durumdaki klorofilden veya



148



funguslarda meydana gelir. Mavi/UV-A reseptörlerinde pigment olarak karoten ve flavinler veya her ikisi bulunabilir. Flavinler, riboflavin, FMN ve FAD olmak üzere 3 formda bulunurlar. Bilindiği üzere FMN ve FAD hücresel redoks sistemlerinde kofaktör olarak bulunurlar. Flavinler ya serbest veya proteinlerle kompleks oluşturabilirler. Bu flavoproteinler mavi ışık reseptörlerinin en önemli grubudur. Mavi ışık reseptörlerinin yapısını belirlemek çok zordur. Bu özelliğinden dolayı araştırıcılar gizli pigment anlamında kriptokrom terimini kullanmışlardır. Mavi ışığa karşı çeşitli cevapların oluşması söz konusudur. Örneğin organların yönelmesi, gövde uzaması, stoma açılması ve sitoplazma akışı bunlardan birkaçıdır. Mavi ışığa gösterilen cevapların büyük bir kısmı ışık miktarına önemli derecede bağlılık gösterir. UV-B RESEPTÖRLERİ Son yıllarda genç Sorghum vulgare fıdelerinde, havuç hücrelerinde ve maydanoz süspansiyonlarındaki antosiyanin sentezi gibi bazı cevapların 290 nm de oluştuğu, 350 nm de ise herhangi bir etkinin görülmediği kaydedilmiştir. Bu gözlemler bitkilerde, henüz belirlenmemesine rağmen, UV-B reseptörlerinin (280-320 nm) bulunduğunu göstermiştir. Özellikle ozon tabakasının incelmesiyle UV-B ışınlarını, bitkilerin daha fazla aldığı belirlenmiştir. Ozon tabakasındaki incelme özellikle UV-B (290-314 nm) ışınlarının yeryüzüne ulaşmasını artırmıştır. Bu UV-B ışınlarının nukleik asitlere, proteinlere, fotosentetik aygıta etkili olduğu, biyomasta azalmaya ve bitkilerin kısalmasına yol açtığı bulunmuştur. FLAVONOİDLER Bitkiler genellikle yeşil olmasına rağmen, çiçeklerin petalleri, meyveler, ve diğer çiçek yaprakları parlak renklerde olabilir. Bu parlaklık söz konusu bitkileri veya bitki kısımlarını insanlar ve hayvanlar için çekici yapar. renklerden



kırmızı,



pembe,



mor ve mavi



antosiyanin



Bu



olarak bilinen



pigmentlerden kaynaklanır. Antosiyaninler, flavonoidlerin en büyük grubudur. Flavonoidlerin diğer grubu (örneğin kalkonlar ve auronlar) ise bazı çiçeklerde sarı renge katkıda bulunurlar. Diğer bir grup olan flavonlar ise çiçek petallerinin beyaz renginden sorumludur. Flavonoidler fenilpropan türevidirler. Flavonoidlerin 3 önemli grubu flavonlar, flavonollar ve antosiyanidinlerdir. Flavonoidlerin en güçlü renkleri antosiyanidinlere (pelargonidin, siyanidin,



BÖLÜM 8 FOTOBİYOLOJt: IŞIK VE PİGMENTLER



149



delfınidin ve malvidin) ve antosiyaninlere (pelargonin, siyanin, idaein, violanin, oenin) aittir. Flavonoidler hakkında daha geniş bilgiler Bölüm 20’de verilmiştir. Antosiyaninler klorofillerden farklı olarak suda çözünürler ve renklerini ortamın pH’sına göre değiştirebilirler. Bu özellik antosiyanidinlerde de bulunur. Örneğin siyanidinin rengi asidik ortamda kırmızı, nötral ortamda menekşe, bazik ortamda ise mavidir. Antosiyaninler Coleus ve in kırmızı yapraklı türlerinde epiderma hücrelerinin vakuollerinde bulunurlar ve klorofilleri maskelerler. Antosiyaninler mavi ve kırmızı ışığı geçirirken, 475-560 nm arasındaki ışınları kuvvetlice absorbe ederler. Kloroplastlardaki fotosentez olayı ile herhangi bir ilgileri yoktur. Hemen hemen bütün flavonoidler (özellikle flavonler ve flavonoller) UVB ışınlarını kuvvetli bir şekilde absorbe ederler. Bundan dolayı flavonoidler, UV ışınlarının neden olduğu hasarlardan yaprak dokularını korurlar. Çiçeklerdeki flavonoidler ise tozlaşma için böcekleri kendilerine çekerler. Bunun yanında flavonoidlerin bitkideki rolleri ile ilgili değişik görüşler ileri sürülmüştür. BETASİYANİNLER Pancar köklerindeki ve Bougainvillaea çiçeklerindeki kırmızı rengi veren bileşiklerdir.



Bunların



en



önemlileri



betalainler



ve



betasiyaninlerdir.



Betasiyanin ve betaksantinlerin antosiyaninlerden en önemli farkı, pH değişimine dönüşümlü olarak cevap vermemeleridir. Betasiyaninler sınırlı bir bitki çeşidinde bulunurlar.



FOTOSENTETİK PİGMENTLER TARAFINDAN IŞIK ABSORBSİ Y ONU Fotosentezde rol alan pigmentlerin en önemli görevi güneş enerjisini absorbe etmektir. Bu pigmentlerin çeşitleri ve miktarları organizmadan organizmaya değişir. Fotosentetik pigmentler (klorofil ve karotenoidler vs.) tilakoid zar üzerinde fotosistem I ve II halinde kümelenmişlerdir. Burada yer alan klorofil molekülleri absorbe ettikleri ışık enerjisini, kısa dalga boyu absorbe eden pigmentten uzun dalga boyu absorbe eden pigmente doğru iletirler. Yani absorbe edilen ışık enerjisinin seviyesi gittikçe azalır. Daha önce belirtildiği gibi fotosentetik pigmentler 400-700 nm arasındaki yani görünür bölgedeki ışınları absorbe ederler. Fakat belirli pigmentler belirli



150



dalga boylarında absorbans gösterirler. Bu durum moleküllerin ihtiva ettikleri çift bağların sayısına bağlıdır. Bir moleküldeki konjuge çift bağ sayısı artıkça onun absorbe ettiği ışığın dalga boyu da artar. Karotenoidlerden örnek verecek olursak, 3 konjuge çift bağa sahip fıtoenin maksimum absorbsiyonu 286 nm’de iken, 11 konjuge çift bağa sahip olan likopenin maksimum absorbsiyonu 472 nm’dedir. Bir pigment molekülü bir foton absorbe ettiği zaman yani uyarıldığı zaman molekülde temel durumda (ground State, singlet sıfır, So) yer alan elektronlardan birisi daha yüksek enerjili bir seviyeye fırlar. Bu yüksek enerjili düzeye tekli uyarılmış durum (singlet 1, Sİ) denir. İkinci bir yüksek enerjili seviye ise ikinci uyarılmış durum (Singlet 2, S2) olarak adlandırılır. Temel durumdaki elektronların orbitaldeki yerleşimlerinin (spinlerinin) birbirinin tersi olduğu ( t i ) bilinmektedir. Uyarılma durumunda bu elektron temel durumdaki pozisyonunu aynen korur. Elektron, fırlatılmış olduğu bu yeni yörüngede 10-9 sn kaldıktan sonra çevresinde başka pigment molekülleri varsa enerjisini onlara aktarmak suretiyle eski yörüngesine (temel durumu) döner. Böylece enerji bir pigmentten diğerine aktarılarak fotosistemin reaksiyon merkezine (P680 veya P700) kadar iletilir. Eğer uyarılan klorofil molekülü enerjisini bu süre içerisinde başka bir klorofil molekülüne veremezse elektron temel duruma geri döner ve absorbe ettiği ışık enerjisini yine ışık olarak ortama verir. Bu olay floresans olarak adlandırılır (Şekil 8.6).



R : Dönüş F : Floresans U: Uyanlnua



P: Fosforesans ®



Şekil 8.6. Klorofil molekülünün uyarılması



: Uyarılmış elektronun dununu



BÖLÜM 8 FOTOBİYOLOJİ: IŞIK VE PİGMENTLER



151



Bazen klorofil molekülünün ışık absorbe ederek üst seviyeye fırlattığı elektron, temel durumdaki spinini değiştirirse bu triplet (üçlü durum) olarak adlandırılır. Bu durumda uyartılmış elektron ancak eski dönüş yönünü kazandıktan sonra temel duruma dönebilir. Burada da elektron eski seviyesine dönerken absorbe ettiği enerjiyi yine ışık enerjisi olarak ortama verir . Bu olaya da fosforesans adı verilir. Floresans ve fosforesans olayları canlı sistemlerde, nadir rastlanan olaylardır. Yukarıda belirtildiği gibi bir klorofil molekülü enerjisini diğerine aktaramadığı zaman bu olaylar meydana gelmektedir. Bunun için klorofil moleküllerinin birbirine çok yakın bulunmaları zorunludur. Nitekim yapılan çalışmalarda fotosentetik birimlerde yer alan klorofil moleküllerinin birbirine çok yakın olduğu belirlenmiştir.



OKUMA PARÇASI 8.1. FOTOSENTEZİN ETKİNLİĞİ Kırmızı ışık (680 nm’deki), kuantum molu başına 175 kJ (42 kcal) enerji taşır. Fikse edilen C 0 2 başına, minimum kuantum ihtiyacının 8 foton olduğu hesaplanmasına rağmen deneysel olarak bu sayı 9 veya 10 olarak bulunmuştur. Böylece 6 molekül CCVnin bir mol heksoz şekere indirgenmesi için 6x8x175=8400 kJ (2016 kcal) miktarında ışık enerjisi gereklidir. Bununla birlikte 1 mol heksoz, tamamıyla okside olduğu zaman 2804 kJ (673 kcal) enerji açığa çıkar. 8400 kJ ile 2804 kJ’ü karşılaştırdığımız zaman fotosentezin maksimum termodinamik etkinliği yaklaşık % 33 olarak bulunur. Fakat ışık enerjisinin çoğunluğu, C 0 2 fıksasyon reaksiyonlarında değil, elektron taşınım reaksiyonları sırasında ATP ve NADPH oluşumunda kaybedilir. C3 devrinin etkinliğini şöyle hesaplayabiliriz: ATP’nin hidrolizi ve NADPH’ın oksidasyonuyla elde edilen serbest enerji değişimi sırasıyla 29 ve 217 kJ’dur (7 kcal ve 52 kcal). 6 CCVnin fruktoz-6-fosfata indirgenmesinde 12 NADPH ve 18 ATP kullanıldığı hatırlanırsa, C3 yolu 12x217+18x29= 3126 kJ (750 kcal) enerji kullanır. Dolayısıyla termodinamik etkinlik % 90’a yaklaşır.



BÖLÜM



9



FOTOSENTETİK AYGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI Yeryüzünde fotosentetik canlılar tarafından yıllık üretilen toplam kuru maddenin (biyomas) 230 milyar ton olduğu tahmin edilmektedir. Bunun yaklaşık % 60’i karalarda, % 40’i ise sularda meydana gelir. Bu kuru maddenin çoğunluğu yenilemez ya da kullanılamaz özellikte olup, insanlar tarafından da direkt besin olarak değerlendirilemez. Bu yıllık üretim doğrudan veya dolaylı olarak yaklaşık 500 bin fotosentetik türün metabolik etkinliklerinden kaynaklanır. Bu yarım milyon fotosentetik tür, yeryüzünde mevcut diğer tüm canlı türlerinin (bilinen canlı türü sayısı yaklaşık 3 milyondur) besinini sentezlemektedir. Günümüzde dünyanın nüfusu yaklaşık 5 milyar olup, bunun % 60’ı kötü beslenmektedir. Ayrıca buğday, pirinç, mısır ve arpa gibi hububat grubuna giren kültür bitkileri, yaptıkları fotosentezle, yeryüzündeki tüm insanların yıllık besin tüketiminin yaklaşık % 60’mı karşılamaktadırlar. Bu nedenle özellikle hububat bitkilerinde fotosentez hızını maksimum yapmak çok önemlidir. Ayrıca dünya nüfusunun gittikçe arttığı ve gelecekte insan beslenmesinin daha büyük bir problem olacağı belirtilmektedir. Konuyla ilgili olarak alınacak tedbirlerin başında; hububat üretiminin artırılması, artıkların değerlendirilmesi ve nüfus artışının kontrolü gelmektedir. Yukarıda belirtildiği gibi hububat üretimi, fotosentez ile yakından ilgili olup, fotosentetik üretimini maksimize etmek için de fotosentetik mekanizmanın tam olarak anlaşılması gerekmektedir.



BÖLÜM 9 FOTOSENTETİK A YGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI



153



OKUMA PARÇASI 9.1. FO TOSENTEZ ARAŞTIRM ALARININ TARİHİ GELİŞİM İ Kimyacılar 18. yüzyılda su ile havanın kimyasal yapısını belirlemek ve element ile bileşik arasındaki ayınmı yapmak için birçok araştırma yapmışlardır. Diğer taraftan eskiden de küçük bir tohumun ekildiği zaman, büyüyebileceği ve yüzlerce kilogram ağırlığa ulaşabileceği biliniyordu. Bu ağırlık artışının bitkinin direkt olarak topraktan aldığı maddelerle sağlandığı tahmin ediliyordu. Bu fikir o zamanlar için çok mantıksız bir tahmin değildi. Şöyle ki; Belçikalı bir araştırıcı olan Jan Baptisto Van Helmont (1648), büyümekte olan bir bitki ihtiva eden saksı toprağında meydana gelecek değişimi saptamak için basit bir deney düzenledi. Van Helmont 2,5 kg ağırlığındaki bir söğüt ağacını 90 kg toprak ihtiva eden bir saksıya dikti. Beş yıl sonra söğüt ağacı ağırlığının 75 kg'a ulaştığını, 90 kg'lik toprakta ise 57 g'lık bir azalış olduğunu gördü. Bu 57 g'lık azalmanın, topraktan mineral maddelerin alınması ile meydana gelebileceğini düşündü. Van Helmont 5 yıl boyunca saksıya sadece su ilave etmiş, dolayısıyla bitkinin kök ve gövde kısımlarında meydana gelen 75 kg'lik artışın, sudan kaynaklandığını belirtmiştir. Bu açıklama ile Van Helmont, bitkisel madde üretiminde suyun ilişkisi olduğuna değinmiş fakat bitki büyümesi için ham materyalin kaynağı olarak havanın (C 02) ilişkisini anlayamamıştır. İngiliz araştırıcı J. Priestley, 1772'de açık havada yetişen bitkilerin diğerlerinden farklı olduğunu belirledi. Bu araştıncı bitkilerin kapalı bir yerde soluk alarak havayı temizlediklerini belirtmiştir. Bilindiği gibi kapalı bir yerde mumlann sönünceye kadar yakılması, havayı kirletir. Priestley, böyle bir ortama bıraktığı ıspanak ve nane filizlerinin tedrici olarak havayı temizlediklerini ve tekrar mumun yanmasına ve hayvanların yaşamasına uygun hale getirdiklerini belirlemiştir. Bu araştıncı bitkilerin havadan bazı maddeleri (yıllar sonra C 0 2 olduğu belirlenmiş) geri aldıklannı ve hayvansal solunum için gerekli birer madde ile onu yer değiştirdiklerini (yıllar sonra 0 2 olduğu belirlenmiş) belirtmiştir. Priestley, bu alanda çok önemli keşifler yapmasına rağmen, elde ettiği sonuçlan yorumlamada bazı hatalara düşmüştür. Şöyle ki bu araştıncı bitkilerin yukanda bahsedilen havayı temizlemesini, bitkilerin büyüyerek yerine getirdiğini sanmakta, bu olayın sadece bitkinin yeşil kısınılan ile ilgili ve ışığa bağımlı olduğundan ise haberi bulunmamakta idi.



154



HollandalI



bilim



adamı



Jan Ingenhousz (1779),



bitkilerin



sadece yeşil



kısımlarının oksijen ürettiğini ve bunun için ışığa ihtiyaç olduğunu belirtmiştir. 1804'de Nicolas de Saussure (İsviçre'li kimyacı ve fizikçi) C 0 2 bakımından zenginleştirilmiş



havaya



bırakılan



bitkilerin,



normal



havadaki lerden



daha



iyi



büyüdüklerini kaydetmiştir. C 0 2 bakımından fakir olan ortamlarda büyütülen bitkilerde zayıf bir büyümenin olduğunu, ışıklandırılmış yaprakların topraktan suyu, havadan da C 0 2'yi aldıklarını belirtmiştir. Bitki fizyolojisi konusunda buraya kadar yapılan yarım asırlık çalışmalar sonucunda, bitkilerin yeşil kısımlarının ışıklandınldığı zaman, su ve C 0 2’yi kullanarak daha kompleks organik maddeler sentezlendiği, bu sırada oksijenin açığa çıktığı bulunmuştur. Bu yıllarda fotosentezin moleküler mekanizması ile ilgili ortak problemlerden birisi, üretilen oksijenin kaynağı ile ilgili idi. Daha önce verilen eşitlik incelenirse, reaktantlann her ikisinin de (C 0 2 ve H20 ) oksijenin kaynağı olabileceği görülebilir. İlk zamanlar ışık eneıjisinin C 0 2'yi parçalayarak 0 2’yi serbest bıraktığı, meydana gelen karbonun H20 ile birleşerek şekerleri oluşturduğu düşünülmüştür. 1930'larda HollandalI C. B. Van Niel bunun böyle olmadığını, ışık eneıjisinin H20'yu parçalayarak serbest kalan oksijenin, moleküler oksijeni ( 0 2) oluşturmak için tekrar düzenlendiğini ve hidrojenin şekerleri oluşturmak için C 0 2 ile reaksiyona girdiğini ileri sürmüştür. Van Niel fotosentezle ilgili çalışmalarını kükürt bakterileri üzerinde yürütmekte idi. Bu organizmalar, bilindiği gibi fotosentez olayında hidrojen atomlarının kaynağı olarak suyun yerine (H20 ), hidrojen sülfür (H2S) kullanırlar. Aşağıdaki reaksiyon kükürt bakterilerindeki



fotosentez



ile



yeşil



bitkilerdeki



fotosentezi



karşılaştırmak için



verilmiştir: ışık K ü k ü rt b a k t e r ile r i : 6 C 02 + 12H2S



C6H 120 6 + 6H20 + 12S



ışık Y eşil b itk ile r



:6 C 0 2+ 12H 20



C6H120 6 + 6 0 2 + 6H20



Van Niel, bakteri fotosentezi ile yüksek bitki fotosentezinin önemli derecede benzer olduğunu bulmuştur. Bilindiği gibi bakterilerde hidrojen atomları H2S'den uzaklaştırılır ve C 0 2 ile reaksiyona girerek serbest kükürt (S) ayrılır. Yeşil bitkilerde analog bir reaksiyonla, sudan H atomları uzaklaştırılarak serbest oksijen ( 0 2) oluşturulur. Böylece yeşil bitkilerde meydana gelen 0 2, C 0 2’den değil, H20'dan oıjinlenir. Oksijenin kaynağı ile ilgili olarak son yıllarda oksijenin izotopu (180 )



BÖLÜM 9 FOTOSENTETİK AYGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI



155



kullanılarak (C 0 2’nin normal oksijeninden (160 ) ayırmak için ) bu durum ispatlanmıştır. Bu işlem aşağıdaki reaksiyonda özetlenmiştir: 6 C 0 2 + 12H20 18--------- > C6H120 6 + 6H20 + 6 0 218 Fotosentez olayında diğer önemli bir gelişme 1950’lerde Illinois Üniversitesi’nde R. Emerson ve arkadaşları tarafından yapıldı. Farklı renkte ışınlar (monokromatik) kullanarak, fotosentez olayını devam ettirmek için absorbe edilen ışığın büyük oranda görünen spektrumda olduğunu ve daha çok bu ışınların kırmızı bölgeyi ihtiva ettiğini belirtmişlerdir. Kırmızı bölgenin sonuna doğru olan (uzak kırmızı) ışınlar kullandığı zaman, fotosentetik aktivitenin önemli derecede azaldığını gözlemişlerdir. Bu sonuç çok hayret vericidir. Çünkü klorofil uzak kırmızı ışınlan iyi absorbe eder. Emerson ve arkadaşlan, uzak kırmızı ışıkla ışıklandmlmaya oranla turuncu-kırmızı ışıkla bitkilerin ışıklandırılması sonucu fotosentezin önemli derecede arttığını gözlediler. Kısaca uzak kırmızı + turuncu-kırmızı ışık mevcudiyetinde oksijen üretiminin, tek bir renk kullanarak meydana gelen oksijen üretiminden çok büyük olduğunu belirlediler. Bu olay E m erson I etkisi olarak bilinir.



Besin ihtiyacının karşılanması yanında, fotosentez, hayatımızı her yönüyle etkileyen birçok ürünün de sentezini sağlar. Pamuk ve keten gibi birçok tekstil hammaddesi, bitki liflerinden kaynaklanır. Aynı zamanda odun, inşaatlarda, mobilyacılıkta, kağıt ve kağıt ürünleri üretiminde geniş ölçüde kullanılır. Örneğin Amerika Birleşik Devletlerinde kağıt yapımı için yılda 84 milyon m3 odun işlenmektedir. Fotosentez ürünleri arasında kauçuk, sıvı yağlar, mumlar, kozmetikler, ilaç hammaddeleri, parfümler ve baharatlar da vardır. Ayrıca fotosentez, insanlar tarafından kullanılan yakıtların büyük bir bölümünü sağlar. Pek çok toplum, evlerinde ısınma ya da yemek pişirmek için hala odun kullanırlar. Günümüzde enerji üretmek için kullanılan doğal gaz, petrol ve kömür gibi bütün fosil yakıtlarının kaynağı, geçmişte fotosentetik organizmalar tarafından yakalanan güneş enerjisidir. Günümüz dünyası, enerji üretimi için geçmişteki fotosenteze bağımlıdır. Ne var ki, bu fosil yakıtlarının miktarı sınırlıdır ve bunlar kendi kendilerini yenileyemezler. Fosil yakıtları enerji üretmek amacıyla yakıldığı zaman, içinde bulunan karbonlar, karbondioksit halinde atmosfere geçer. Endüstri devrimiyle, atmosferdeki karbondioksit oranı, başlangıçtaki yaklaşık % 0,028’den, günümüzde



yaklaşık



%



0,037



düzeyine



yükselmiştir.



Atmosferdeki



156



karbondioksit güneşin ısısını yakaladığı için, karbondioksitteki artışla birlikte küresel sıcaklık (küresel ısınma) da artmıştır. Eğer fosil yakıtlarının yanması sonucu oluşan karbondioksitin hepsi atmosferde kalmış olsaydı, küresel sıcaklık bugün olduğundan daha yüksek olurdu. Karbondioksitin önemli bir kısmı, artan fotosentezle kullanılarak okyanuslarda, toprakta ve turbalıklardaki bitkilerde depolanır. Özellikle fosil yakıtlara bağımlı insan tüketimi yüzünden atmosfer, her yönüyle olumsuz etkilenmektedir. Fotosentez olayı, bu olumsuz etkiye karşı bir tampon olarak görev yapmakta ve atmosferdeki karbondioksit oranını dengelemede önemli rol oynamaktadır. Modem dünya, fotosentezin geçmişte ürettiği ve halen üretmeye devam ettiği ürünlerle ayakta durmaktadır. Nitekim fotosentez, çevreye devamlı oksijen sağlayan, besinlerin dolaylı ve dolaysız kaynağını teşkil eden çok önemli bir biyokimyasal olaydır. Fotosentez terimi (foto: ışık ; sentez: bir araya getirme) yeşil bitkilerin ışık enerjisini kullanarak, karbondioksit ve sudan şeker meydana gelişini ve oksijen çıkışını ifade eder ve aşağıdaki eşitlikle gösterilir: 6C 02+ 12H20 C6H i20 6 (şeker) + 6H20 + 6 0 2 Reaksiyon denkleminde su, hem bir fotosentez ürünü, hem de reaktant (reaksiyona giren) olarak eşitliğin her iki tarafında gösterilmiştir. Denge durumunda su moleküllerinden 12'si kullanılarak 6 molekülü açığa çıkar. Böylece net olarak 6 su molekülü tüketilir. Eşitliğin sağ tarafındaki C6H l20 6, 6 karbonlu bir şeker formülü olup, fotosentez sonucu organik madde üretildiğini ifade etmektedir. Bu organik maddelerin bir kısmı, bitkinin odun gibi yenilmeyen yapısına, diğer kısmı ise kök, meyve ve tane gibi bitkinin yenilen kısımlarına katılır.



OKUMA PARÇASI 9.2. YAPRAKLARDA FOTOSENTEZ VE IŞIK Güneşten yeryüzüne ulaşan ışık eneıjisi yaklaşık 1,3 kW m'2 dir. Yeryüzüne ulaşan ışık eneıjisinin



sadece % 5’i fotosentez yapan bir yaprak tarafından



karbohidratlara dönüştürülebilir. Çünkü bu gelen ışığın büyük bir kısmı fotosentetik pigmentler tarafından absorbe edilmek için çok uzun veya çok kısa dalga boyuna sahiptir.



158



Yukarıda belirtildiği gibi yapraklann, uzak kırmızı ışığın çok küçük bir kısmını absorblamasından dolayı, örtü altındaki habitatlarda uzak kırmızı ışık zengindir. Bu ışık, ışığa duyarlı büyümeyi düzenleyici fitokromun özelliklerini değiştirir ve bunun bir sonucu olarak bu alanlarda uzun ve iğ biçimli bitkilerin gelişmesi sağlanır. Güneş ve gölge bitkilerinin fotosentetik yapılarında da bazı farklılıklar görülür. Örneğin gölge bitkilerinde reaksiyon merkezi başına toplam klorofil miktarı daha fazla, kİ a/ kİ b oranı daha düşük ve daha ince yapraklar vardır. Gölge bitkilerinde fotosistem II/ fotosistem I oranı 3/1 dir. Bu oran güneş bitkilerinde 2/1 dir. Aynca gölge bitkilerinin



yapraklan,



güneş



bitkilerinin



yapraklanna



oranla



daha



düşük



konsantrasyonlarda protein ve Rubisco ihtiva ederler. Farklı ışık yoğunluğuna maruz bırakılan aynı bitkinin farklı yapraklannda da zıt morfolojik özellikler bulunabilir. Işığa karşı benzer adaptasyonlar, tek bir yaprağın üst ve altındaki hücrelerde de olabilir.



FOTOSENTEZ OLAYININ YERİ Fotosentez olayı, ökaryotlarda (alglerde ve yüksek bitkilerde) kloroplast adı verilen organellerde, prokaryotlarda ise plazma zarının iç kısma katlanması ile oluşmuş tilakoid zarlarda meydana gelir (Şekil 9.1). Kloroplastlar aşağıda



\



, Stroma



KJntergranal tilakoid ■/ (Stroma tilakoidı)



Şekil 9.1. Kloroplastm ayrıntılı yapısı (Kaufman’dan)



BÖLÜM 9 FOTOSENTETİK A YGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI



159



görülebileceği gibi iki katlı bir zarla çevrilmiş ve içerisinde tilakoid zarların üst üstte birikmesiyle meydana gelen gramımlardan meydana gelir. Buradaki tilakoid zarlar, kapalı bir kese şeklinde olup, iki granum arasına da uzanabilir ve intergranal lamel adını alırlar. Tilakoid zarın iç kısmındaki boşluğa lümen, kloroplast içerisindeki tüm granumların toplamına da grana adı verilir (Şekil 9.1). Fotosentez olayının elektron taşınım safhası kloroplastların granasında, karbondioksit fıksasyon safhası da stromada meydana gelir.



OKUMA PARÇASI 9.3. KLOROPLASTLARIN FOTOSENTETİK OLM AYAN M ETABOLİZM ASI Kloroplast biyokimyası genelde eneıji dönüşümü ve karbon metabolizması ile ilgilidir. Kloroplastlann asıl fonksiyonunun fotosentezle ilgili olduğu ve bu yolla biyosfere enerji ve karbon girişinin sağlandığı bilinir. Fotosentezle üretilen eneıji, karbolııdrat sentezi yanında azot ve kükürt asimilasyonu, protein ve yağ asidi sente, lerinde de kullanılır. Azot asimilasyonu anlatılırken vurgulandığı gibi, azot bitkiler tarafından nitrat formunda alınır, önce nitrite daha sonra ise amonyuma dönüştürülür. Bu ilk reaksiyonu sağlayan enzim (nitrat redüktaz) kök ve yaprak hücrelerinin sitoplazmasında bulunur. Bundan sonraki aşama (nitritin amonyuma dönüşümü) yapraklarda fotosentetik elektron taşınım reaksiyonlarının yardımı ile meydana gelir. Ayrıca amino asit biyosentezi ile ilgili reaksiyonların bir kısmı kloroplastlarda oluşur. Amonyumun amino asitlere transferi ile ilgili iki enzim (glutamin sentataz ve glutamat sentetaz) kök ve yaprak hücrelerinin sitoplazmalan yanında yapraklardaki kloroplastlarda da bulunur. Nitrata benzer olarak sülfat da, amino asitlere ve diğer organik bileşiklere bağlanmadan



önce genellikle



sisteine indirgenir. Bu olay yaprak hücrelerinin



kloroplastlannda ve kök hücrelerinin proplastidlerinde meydana gelir. Yağ asidi biyosentezi de kısmen kloroplastlarda ve proplastidlerde yapılmaktadır. Bu yağ asitlerine örnek olarak doymuş karakterli palmitik asit ve stearik asit verilebilir. Bu asitler sentezlendikten sonra plastidlerden endoplazmik retikuluma taşınırlar. Yine bilindiği gibi kloroplastlar, protein biyosentezi için enzimler, DNA, RNA ve ribozom ihtiva eden tam bir genom bulundururlar. Kloroplast DNA’sı prokaryotik DNA’ya benzer olarak daireseldir ve 120-125 polipeptid kodlama kapasitesine sahiptir.



160



Bunlar arasında Rubisco’nun alt birimleri, ATP sentezleyen kompleksin alt birimleri ve elektron transport zincirinin önemli birimleri yer alır. Bununla birlikte kloroplast polipeptidlerinin büyük bir kısmı nukleusta kodlanmakta, sitoplazmada sentezlenmekte ve kloroplastlara girmektedir.



FOTOSİSTEMLERİN YAPISI VE FOTOSENTETİK AKSEPTÖRLER Yukarıda belirtildiği gibi tilakoid zar üzerindeki klorofillerin iki sistem halinde kümeleştikleri yapılan çalışmalarla ortaya çıkarılmıştır. Pigment sistemi I (PS I) reaksiyon merkezini oluşturan bir pigment 700 (P700) molekülü ile yaklaşık 200 klorofil ve 50 karotenoid molekülü içerir. Ayrıca burada bir klorofil-protein kompleksi de yer alır (Şekil 9.2). X akseptörü



Şekil 9.2. Fotosistem I’nin şematik gösterimi (Kaufman’dan) Pigment sistemi II (PS II) reaksiyon merkezini oluşturan pigment 680 (P680) molekülü (bazı fotosistemlerde bu P690 dır) ile yaklaşık 200 klorofil ve 50 karotenoid (özellikle ksantofîl) ihtiva eder. Bu sistemde de ışık yakalayıcı klorofil-protein kompleksleri yer alır (Şekil 9.3). Yapılan çalışmalarda tilakoid zar üzerinde PS I ve PS Il'nin beraber yer aldığı, fakat granal lamellerin tilakoid zarlarında PS Il'nin, stromal lamellerin (intergranal lameller) tilakoid zarlarında ise PS I'in sayıca daha fazla bulunduğu belirlenmiştir.



BÖLÜM 9 FOTOSENTETİK AYGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI



161



OKUMA PARÇASI 9.4. FOTOSENTEZ OLAYINDA PİGM ENTLERİN İKİ SİSTEM HALİNDE TOPLANDIĞINI GÖSTEREN DELİLLER Fotosentezin tarihsel gelişimi kısmında da izah edildiği gibi Emerson adlı araştırıcı değişik dalga boyundaki monokromatik ışınları kullanarak, bu dalga boylarında fotosentez sonucu açığa çıkan oksijen miktarlarını ölçmüş ve 680 nm’den daha büyük dalga boylu ışık verdiğinde, fotosentez veriminde büyük bir azalma görmüştür. Emerson bu azalmayı kırmızı bölgede gördüğü için kırm ızı düşüş olarak adlandırmıştır. Bu araştıncı 680 nm’den büyük dalga boylarında fotosentez hızında görülen bu azalmanın, aynı anda daha kısa dalga boylu ışık verilmesi ile ortadan kalktığını ve bu iki dalga boyundaki ışığın (680 nm’den küçük ve büyük) birlikte verilmesiyle sağlanan fotosentez hızının, bu dalga boylarının ayrı ayrı verilmeleri durumunda elde edilen fotosentez hızlan toplamından daha fazla olduğunu görmüştür. İşte 680 nm'den küçük ve büyük dalga boylu ışınlann birlikte verilmesiyle fotosentez verimi üzerinde görülen bu etkiye em erson etk isi adı verilmektedir (Şekil OP 9.1). Buradan şu sonuç çıkanlabilir: 680



nm'den daha büyük dalga boylu ışık verildiğinde fotosentez hızında görülen azalmanın, 680 nm'den küçük ve büyük dalga boylu ışınlar verildiğinde bu azalmanın ortadan kalkması iki ayrı fotosistemin (pigment sistemi) varlığını göstermektedir. Bunlar pigment 680'i ihtiva eden p igm en t sistem i II (fotosistem II) ve pigment 700'ü ihtiva eden p ig m en t sistem i I (fo to sistem I) ’dir.



Şekil O P 9.1. Işığın dalga boyu ile fotosentez etkinliği arası ilişki. Fotosentez etkinliği



absorbe edilen birim ışık miktarı başına fotosentez hızı olarak alınmıştır (Kaufman’dan)



162



Plastokinon ii



psn



Klorofil molekülleri



Işık yakalayan pigment kompleksi



Şekil 9.3. Fotosistem Il’nin şematik gösterimi (Kaufman’dan) Pigment sisteminin hemen altında tilakoid zarın lümene bakan kısmında suyu parçalayan ve Mn ihtiva eden bir oksijen açığa çıkaran enzim sistemi (Suyu parçalayan sistem) yer alır. Pigment H'den sonra sırasıyla yeralan akseptörler feofitin, kinon A, kinon B, plastokinon, sitokrom b/f kompleksi ve plastosiyanindir. Pigment sistemi I'den sonra Fe-S merkezi ihtiva eden proteinler ile ferrodoksin, flavoproteinler ve NADP+ yer alır (Şekil 9.4).



Suyu parçalayan kompleks



Plastosiyanın PS I



Şekil 9.4. Fotosentetik elektron taşınım akseptörlerinin şematik görünümü (Lawlor’dan)



164



plastosiyanine geçerler. Burada fotosistem I'deki klorofil molekülleri de ışık yardımıyla uyarılır ve reaksiyon merkezinden (P700) bir elektron açığa çıkar. Bu elektron, FeS merkezine sahip proteinlerden geçerek ferrodoksine ve flavoproteinler aracılığıyla NADP+ 'ya iletilir. Elektronunu veren P700, normal durumuna geçmesi için gerekli elektronları plastosiyaninden sağlar (Şekil 9.5).



Şekil 9.5. Tilakoid zar üzerindeki elektron taşınımı (Anderson ve Anderson). OAC: oksijen açığa çıkaran kompleks



Sonuç olarak sözkonusu akseptörlerden iki elektron taşındığı zaman bir NADPH meydana gelir ve böylece fotosentezin ürünlerinden birisi oluşur. Bu şekilde elektronların sudan başlayarak, NADPH'a kadar akışına devresel olmayan elektron taşınımı adı verilir. Bazı durumlarda da ferrodoksine gelen elektronlar Sit bö yardımıyla plastokinona aktarılır ve bu elektron taşmımına da devresel elektron taşınımı denir (Şekil 9.6). Fotosentetik Elektron Taşınımı Sonucu ATP Oluşumu Kloroplasttaki tilakoid zar üzerinde (özellikle intergranal lamellerde) ATPaz yeralır. Bu enzim raket şeklinde olup, şişkin olan tarafı (CF1) stroma tarafında, sap kısmı ise (CFo) membran içerisine gömülü durumdadır (Şekil 9.7). Bilindiği gibi tilakoid zar kapalı bir sistemden oluşmakta, iç kısmını lümen dış kısmını ise stroma çevrelemektedir. Yukarıda gördüğümüz gibi sudan NADP+ ya kadar elektron taşınımı sonucu bir suyun paraçalanmasıyla 2 H+, yine plastokinondan sitokrom fye elektron taşınırken ise 2 H+ lümene bırakılır. Böylece fotosentetik elektron taşınımı artıkça lümenle stroma arasında büyük



BÖLÜM 9 FOTOSENTETİK A YGIT VE ELEKTRON TAŞINIM REAKSİYONLARI



165



bir elektrokimyasal potansiyel gradiyenti oluşacaktır. Kemiosmotik teoriye göre bu protonların ATPaz (ATP fosfataz) yardımıyla lümenden stromaya taşınmasıyla birlikte bu gradiyent farklılığı ortadan kalkacak ve 3 H+ başına bir ATP (mitokondride 2 H+ başına bir ATP’dir) sentezlenecektir. Başka bir ifade ile plastokinondan geçen herbir elektron çifti için iki ATP'nin oluştuğu tahmin edilmektedir. Yapılan araştırmalarda oluşan bir NADPH molekülü başına iki ATP'nin meydana geldiği belirlenmiştir.



t



İ! a



h



2o 2e



2H



+



1/2 0



Şekil 9.6. Devresel ve devresel olmayan elektron taşınımının şematik görünümü Fotosentezdeki bu ışık enerjisi yardımıyla ATP oluşumuna fotofosforilasyon adı verilir. Devresel olmayan elektron taşımmı ile sentezlenen enerjiye (ATP) devresel olmayan fotofosforilasyon, devresel elektron taşımmıyla oluşan enerjiye de devresel fotofosforilasyon denir. Devresel Fotofosforilasyonunun Amacı Nedir? Devresel fotofosforilasyonun amacının ne olduğu uzun zaman tartışılmıştır. Burada devresel fotofosforilasyonun sadece ATP oluşturma ile



166



ilgili olduğu unutulmamalıdır. Fakat bu safha NADPH oluşumunu sağlayamadığı için, tek başına fotosentezin karbondioksit fıksasyon safhasını besleyemez. Böylece devresel fotofosforilasyan, devresel olmayan fotofosforilasyon için bir desteklik görevi görmektedir. Devresel olmayan fotofosforilasyonda 1:1 oranından ziyade 2:1 oranında ATP:NADPH üretildiği göz önüne alındığı zaman, fotosentezin karbondioksit fiksasyon safhası için gerekli olan ATP ve NADPH'ın devresel olmayan fotofosforilasyonla karşılanması mümkündür. Sonuç olarak devresel fotofosforilasyonun görevi, ekstra ATP üretimini sağlamak ve bazı sentez olayları (örneğin nişasta, lipid, pigment ve nükleik asit gibi) için ihtiyaç duyulan ATP'leri temin etmektir. e" Siklik elektron taamımı



Şekil 9.7. Kloroplast zarlarında ATP oluşumu (Lawlor’dan)



BÖLÜM 1 O



FOTOSENTEZ: KARBON METABOLİZMASI Bütün fotosentetik organizmalar tarafından karbondioksit karbonunun karbohidratlara aktarılması karbon fiksasyonu veya fotosentetik karbon indirgeme (PCR) devri olarak bilinir. Fotosentezin bu safhasında, elektron taşınım safhasında oluşan ATP ve NADPH kullanılarak karbondioksit karbohidratlara dönüştürülür. Bitkilerde bu olayı meydana getirmek için üç farklı mekanizma tanımlanmıştır. Bunlar C3 devri, C4 devri ve Crassulasean asit metabolizması (CAM) dır.



C3 YOLU (CALVİN DEVRİ) Calvin devri, ilk olarak Melvin Calvin tarafından bulunduğu için bu ad verilmiştir. Son zamanlarda bu devir C3 yolu ve fotosentezin C3 şekli olarak adlandırılmakta, bu olayın meydana geldiği bitkiler de C3 bitkileri olarak isimlendirilmektedir. Bu bitkiler genellikle dünyanın sıcak bölgelerinde yetişir ve optimum olarak günlük sıcaklık 15-25 °C'de olduğu zaman CO2 assimilasyonu yaparlar. Calvin devrindeki anahtar reaksiyon, karbondioksitin yakalandığı reaksiyondur. Bu reaksiyonda karbondioksit, ribuloz 1,5-difosfat karboksilaz oksigenaz (Rubisco) enziminin katalitik etkisiyle ribuloz 1,5 difosfatla reaksiyona girerek önce 6 C'lu kararsız ve daha sonra kararlı 2 molekül 3fosfogliserik asidi (3PGA) oluşturur (Şekil 10.1). Rubisco tabiatta en bol bulunan enzimdir. Sonra 3-PGA, 1,3-difosfogliserik asidi (1,3DPGA) oluşturmak için ATP tarafından fosforile edilir. Bu ATP, fotosentezin elektron taşınım safhasından kaynaklanır. 1,3-DPGA, yine fotosentezin elektron taşınım



168



safhasında oluşan NADPH yardımıyla 3-fosfogliseraldehite indirgenir. Bu reaksiyon gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz katalizlenir. Oluşan 3PGAL 4 farklı yolla kullanılır (Şekil 10.1).



(3-PGAL) tarafından



6C02+6H20



-►---- Ribuloz-l,5-difosfat - 1------- ►3-fosfoglıserik asit (6 molekül) RuDP karboksılaz C12 molekül) 12 ATP osfogliserat kuıaz ^ 1 2 ADP



1,3-difosfogliserik asit (12 molekül)



12 NADPH+12H+ 12 NADP+ + 12 Pi



3-fosfogüseraldehit C12 molekül)



T



2 6ADP



i



Gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz *



Dihidroksi asetonfosfat (5 molekül)



Triozfosfat izomeraz



FosforJbulokiiiaz ÎF\ 6ATP İFruktozdifosfat aldolaz



Fruktoz-1,6-difosfot (3 molekül) U3H20 K 3 H3 PO4



* Fnıktosfeifosfataz



Fruktoz^-fosfat (3 molekül)



2A



^1 heksoz ürün ]



Transketolaz



Fmktoz-6-fosfat! ... flnıoleküb.-_



l—



Ribuloz-5-P (6 molekül) «_ RJbozfosfat epimeraz



rKsilüloz-5-P (2 molekül) L(2 molekül)



^.Aldolaz



Sedoheptuloz 1,7 difosfet (2 molekül)



[t ransketola z Ribozfbsfat* izomeraz



------◄ —



Eritroz-4-P (2 molekül)



Riboz-5-P (2 molekül)



„2H20 Sedoheptuloz Y bifosfataz .21H 3P04



Sedoheptuloz 7 fosfat * Ijıkta aktive edilen enzimler



Şekil 10.1. C3 yolu reaksiyonları Birinci yolda, triozfosfat izomeraz enziminin katalitik etkisiyle dihidroksi aseton fosfata (DHAP) dönüşür. İkinci yolda, DHAP'la birleşerek fruktoz-1,6difosfatı (F-1,6-DP) oluşturur. Bu reaksiyon fruktoz difosfat aldolaz tarafından katalizlenir. Daha sonra F-1,6-DP, fruktoz bifosfataz tarafından fruktoz-6fosfatı (F-6-P) meydana getirir. Üçüncü yolda, F-6-P'la birleşerek ksiluloz-5fosfat (Ku-5-P) ve eritroz-4-fosfatı (E-4-P) oluşturur. Bu reaksiyon transferaz



BÖLÜM 10 FOTOSENTEZ:KARBON METABOLİZMASI



169



enzimi tarafından katalizlenir. Burada oluşan E-4-P, DHAP'la birleşerek sedoheptuloz-l,7-difosfatı (Se-l,7-DP) meydana getirir. Daha sonra Se-l,7-DP, sedoheptuloz bifosfataz tarafından sedoheptuloz-7-monofosfata (Se-7-P) dönüştürülür. Dördüncü yolda Se-7-P'la reaksiyona girerek, Ku-5-P ve riboz-5fosfatı (R-5-P) oluşturur (Şekil 10.1). Bu reaksiyonlar sonucu oluşan Ku-5-P epimeraz, R-5-P ise izomeraz enzimlerinin yardımıyla ribuloz-5-fosfata (Ru-5P) dönüşür. Ru-5-P, yine elektron taşınım safhasında oluşan ATP ile fosforile edilerek fosforibulokinaz enziminin yardımıyla Ru-l,5-DP'ı oluşturur. Böylece Ru-1,5-P meydana getirilerek Calvin devrinin başlangıç bileşiği yeniden oluşturulmuş olur. C3 YOLUNUN BİLANÇOSU Bir molekül heksoz (6 karbonlu şekerler) meydana getirmek için 6 molekül C02'e ihtiyaç vardır ve bu devrin 6 defa dönmesi gereklidir. Kullanılan her CO2 molekülü için 2 molekül NADPH ve 3 ATP'nin gerekli olduğu göz önüne alınırsa, bir heksozun sentezi için 12 NADPH ve 18 ATP'nin gerekli olduğu hesaplanabilir. Bu sadece Calvin devrinin bilançosudur. Burada fotosentetik olarak fıkse edilen karbonun kaybına neden olan fotorespirasyonun etkisi göz önüne alınmamıştır. Normal olarak C3 bitkilerinde fotorespirasyonun neden olduğu bu kayıp % 20-40 arasındadır. C3 YOLUNUN AKTİVASYONUNDA IŞIĞIN ROLÜ Eski kaynaklarda fotosentezin karbondioksit fîksasyon safhası için karanlık safhası terimi kullanılmakta ve bu safhanın meydana gelmesi için ışığa ihtiyaç duyulmadığı belirtilmekte idi. Günümüzdeki araştırmalarda bu reaksiyonların meydana gelmesi için mutlaka ışığa gerek olduğu ve reaksiyonların özelliğini belirtmek için karanlık safha teriminin kullanılmasının yanlış olduğu belirlenmiştir. Örneğin Calvin devri enzimlerinin en azından 5 tanesi ışık tarafından aktive edilmektedir. Bu enzimler RuDP karboksilaz (Rubisco), gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz, fruktozbifosfataz, sedoheptuloz bifosfataz ve fosforibulokinaz'dır. Rubisco aktivitesi diğer enzimlerden biraz daha farklı olarak kontrol edilmektedir. Bu enzimle ilgili olarak ışık, tilakoiddeki Mg2+konsantrasyonunu, C 0 2 aktivasyonunu ve kloroplasttaki pH değişimlerini ve yeni bir protein sentezini kontrol eder.



170



Kloroplasttaki pH değişimi, protonların lümenden stromaya veya ters yöndeki taşınımı ile ilgilidir. Bilindiği gibi ışık yardımıyla elektron taşınım reaksiyonları meydana gelirken sürekli olarak stromadan lümene doğru H+ iyonları pompalanır. Bunun sonucu olarak stromamn pH'sı 7'den 8'e yükselir. Rubisco pH 8’de çok daha aktiftir. Karanlıkta ise bunun tersi meydana gelerek stromamn pH'sı 7 civarında seyreder. Rubisco aktivitesi için Mg2+iyonlarının gerekli olduğu bir gerçektir. Işık, Mg2+ iyonlarının lümenden stromaya geçişini sağlar. Böylece Rubisco aktivitesi artar. Karanlıkta ise tam ters bir durum gerçekleşir. Diğer taraftan C 0 2, Rubisco için sadece bir substrat değil aynı zamanda bir aktivatördür. Bu görevi enzimin aktif bölgesinden başka bir yere bağlanarak yerine getirir. 1980 yılında Lorimer ve Miziorko tarafından ileri sürülen modele göre: C 0 2 ilk olarak enzimdeki lisinin amino grubu ile birleşir ve karbamat oluşur. Karbamat oluşumu için iki protonun ayrılmasına ihtiyaç duyulur ve bu da pH artışıyla sağlanır. Daha sonrada Mg2+‘un bağlanması ile enzimin aktif formu oluşur (Şekil 10.2). Bununla birlikte Rubisco aktivasyonunda Rubisco aktivaz olarak adlandırılan bir proteinin asıl rolü oynadığı mutant bitkiler kullanılarak gösterilmiştir. Bu enzim de ışığa bağlı olarak çalışır.



Şekil 10.2. Rubisco’nun ışıkla aktive edilme mekanizması Rubisco dışında ışık tarafından uyarılan diğer enzimlerde farklı bir mekanizma mevcuttur. Bu enzimlerin ışık tarafından aktivasyonu, elektron



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ.KARBON META



171



taşınım reaksiyonlarının bir ürünü olan ferrodoksin ve tioredoksin tarafından sağlanır. Tioredoksin, ferrodoksine benzer, küçük bir demir-kükürt proteinidir. Ferrodoksin, tioredoksinde bulunan sistemdeki disülfıti (-S-S-), dönüşümlü olarak sülfıdrile (-SH HS-) indirger. Bu reaksiyon ferrodoksin-tioredoksin redüktaz tarafından katalizlenir. Sülfıdrile sahip tioredoksin, indirgenmiş enzim (aktif form) oluşumuna neden olur (Şekil 10.3).



Şekil 10.3. Ferredoksin yoluyla bazı enzimlerin ışıkla aktive edilmesi.



FOTOSOLUNUM (FOTORESPİRASYON) Fotorespirasyon sadece ışıkta meydana gelen bir katabolizma olayıdır. Burada oksijen tüketilerek karbondioksit açığa çıkarılır. Fotorespirasyonun asıl substratı glikolat (glikolik asit) olup, kloroplastlarda özel bir fosfataz yardımıyla fosfoglikolattan oluşur. Fosfoglikolat ise Rubisco enziminin oksigenaz aktivitesi ile RuDP'dan meydana getirilir. Glikolik asitin sonraki metabolizmasi peroksizom ve mitokondri gibi iki organelle ilgilidir. Glikolik asit kloroplastlardan glioksizomlara geçtiği zaman orada glikolat oksidaz yardımıyla glioksilata okside edilir. Glikolat oksidaz FMN ihtiva eden bir flavoprotein olup, bir molekül oksijen kullanarak bir molekül hidrojen peroksit (H2O2) meydana getirir. Meydana gelen hidrojen peroksit, peroksizomlarda bulunan katalaz tarafından H2O ve 02'e dönüştürülür. Daha sonra glioksilat, glisini meydana getirmek için transamine edilir (yapısına amino grubunu alır). Bu reaksiyon peroksizomlarda bulunan glioksilat aminotransferaz tarafından katalizlenir. Daha sonra glisin peroksizomlardan mitokondriye geçer. Burada 2 molekül glisin iki kademeli bir reaksiyonla 1 molekül serin, CO2 ve NH^'e dönüşür (karbondioksit ve amonyak çeşitli kademelerde kulanılır, konunun



172



ayrıntısı üzerinde durulmayacaktır). Mitokondride meydana gelen serin tekrar peroksizoma geçer ve orada hidroksi pirüvata transamine olur. Daha sonra hidroksipirüvat, hidroksipirüvat redüktaz tarafından kloroplastlara geçebilen gliserik aside indirgenir. Orada gliserik asit, gliserat kinaz katalizörlüğü ile 3 PGA'ya fosforile olur. Böylece reaksiyon tamamlanmış olur (Şekil 10.4). co2



o2



KLOROPLAST . RuDP oksigenaz



R-1.5DP



Fosfoglukolat



T



R-1,5-DP .............1— \



prjA



RuDPkarboksüaoN



PGA PGA



V



-



**-'



Kalvin devri



t



Glikolal



Fosfogliserat (PGA)



ı



ADP^



Glikolat



ATP Gliserat h



r \



9o 2U2 Glioksilat



NAD^



Glutamat



r ketoglutaral



NAD H Glisin



Hidroksipirüvat Glutamat



I



oc-ketoglutarat g£ri



PEROKSÎZOM



MtTOKOKDRl Glisin * NAD+



Glisin+H20 Serin 4-



----- S



------T~ N AD H



NH, co 2 Şekil 10.4. Fotosolunum olayının şematik ifadesi



BÖLÜM 10



173



FOTOSENTEZ:KARBON META



BİTKİLERDE NİÇİN FOTORESPİRASYON VARDIR? Fotorespirasyon,



belirli



bir



amacı



olmayan



bir



safha



olarak



görülmektedir. Sadece bu olay, fotosentezde fıkse edilen karbonları değil, aynı zamanda ATP ve NADPH'ı da harcar. Bu durumda fotorespirasyona ne ihtiyaç var? sorusu sorulmaktadır. Bilindiği gibi bu olay bitkiler aleminde bir evolusyon süresince devam etmiştir. Bu süreçte eğer fotorespirasyon fotosentez etkinliği için zararlı ise niçin kaybolmamıştır? Bu soruya iki farklı cevap verilmiştir? a) Fotorespirasyon olayı, Rubisco enziminin yardımıyla meydana gelir. Bu enzimin oksijen bağlayan ve reaksiyona giren aktif bölgesi, karbondioksiti bağlayan ve reaksiyona giren aktif bölgesiyle aynıdır. Bu nedenle enzimin CO2 ile verdiği reaksiyonu engellemeksizin, oksijenle verdiği reaksiyonu elimine etmek mümkün değildir. b) Fotorespirasyon olayı evolusyon esnasında da mevcut olmuştur. Eğer ilk evolusyonal devirlerde havadaki CO2 / O2 oranı bu günkünden daha yüksek bir seviyede ise, fotorespirasyonun, başka bir fonksiyonu olmayan ve sadece bugün atmosferde mevcut düşük CO2 / O2 oranlarına bir cevap olarak ortaya çıktığı söylenebilir. Bütün bunlar fotorespirasyonun amacının ne olduğu sorularını artırmaktadır. Fotorespirasyonun, yüksek ışık yoğunluğu altında, iç CO2 seviyesi düşük ölari bitkilerde üretilen aşırı indirgeyici gücün (NADPH) neden olacağı hasardan bitkileri koruduğu ileri sürülmüştür. Eğer iç CO2 seviyesi düşükse, C3 yolu çalışamaz. Böylece elektron taşınım reaksiyonları sırasında oluşan kimyasal enerji, C3 yolunun CO2 fıksasyon reaksiyonlarında kullanılmayıp birikir. Bu olay, stomalarm kapalı olduğu kurak ortamlardaki bitkilerde meydana gelir. Bu bitkiler yoğun ışığa maruz kaldıkları zaman, stomalar kapalı olduğu için CO2 'in kullanılabilirliği çok azdır. Bu ortamlardaki bitkilerde fotorespirasyonla elektron taşınım reaksiyonlarının yüksek enerjili kimyasal ürünlerinin hasar meydana getirmeden düşük CO2 ve yüksek ışık yoğunluğunda harcanması oldukça önemlidir. Yapılan çalışmalarda, fotorespirasyonu engellenen ve dolayısıyla oksijen seviyesi düşürülemeyen bitkilerde, fotosentetik aygıtın hasar gördüğü kaydedilmiştir. Bu bitkilerde fotorespirasyonun yeniden aktif hale getirilmesiyle herhangi bir hasarın oluşmadığı da belirlenmiştir.



174



C4 bitkilerinde durum nedir? Eğer fotorespirasyon hayatta kalmak için gerekli ise C4 bitkileri nasıl yaşamaya devam edebiliyor? gibi değişik sorular da sorulabilir. Bilindiği gibi C4 bitkileri düşük bir fotorespirasyon aktivitesine (C3 bitkilerine oranla) sahiptirler. Eğer bir C4 bitkisinin yaprağından demet kını hücreleri (bunlar da C3 devri meydana gelir) izole edilirse, bu hücrelerdeki Rubisco, hemen oksijenle reaksiyona girer ve bir C3 bitkisinin yaprağındaki hücrelerde olduğu gibi hızlı bir fotorespirasyon meydana gelir. Açıkça, sağlam bir C4 yaprağının demet kını hücrelerindeki Rubisco, sabit CO2 mevcut olduğundan, sıkça C4 hücrelerini kuşatan oksijenle reaksiyona giremez. Böylece C4 bitkilerindeki fotorespirasyon hızı düşük olarak seyreder. Karbondioksit seviyesinin azalması durumunda C4 bitkisinin demet kını hücrelerinde oksijen seviyesi yüksek olup, bu C4 bitkisi C3 bitkisinde olduğu gibi yüksek fotorespirasyon hızına sahip olabilir. C4 bitkilerinde olduğu gibi CAM bitkilerinde, tek hücreli siyanobakteriler ve alg hücrelerinde de (CO2 pompası ile) CO2 konsantre etme mekanizmaları bulunduğundan fotorespirasyon meydana gelmez veya düşük aktiviteli meydana gelir. Fotorespirasyonun, stomalar kapalı ve yüksek ışık yoğunluğu durumlarında bitkilerdeki hasarları önlemede önemli rol oynayıp oynamadığı tartışmalıdır. Bazı araştırıcılar, bu hasarı önlemek için bitkilerin başka mekanizmalarını çalıştırdığını, fotorespirasyonun bu olayda önemli rolünün olmadığını ileri sürmüşlerdir. Fotorespirasyon olayının fonksiyonunun ne olduğu yukarıda belirtilmesine rağmen henüz tam olarak açıklanamamıştır. Şimdilik bir israf safhası olarak görülmekle birlikte, yapılacak araştırmalar onun gerçek rolünü ortaya çıkaracaktır. Araştırıcılar, fotorespirasyonun hemen hemen bütün bitkilerde bulunduğunu dolayısıyla bu olayın mutlaka önemli faydalarının olduğunu belirtmişlerdir. Fotorespirasyonun önemi ile ilgili fikirlerden en çok taraftar bulanı yukarıda belirtildiği gibi: yüksek ışık yoğunluğu ve düşük C 0 2 konsantrasyonu (su eksikliğinden dolayı stomalar kapalı olduğu zaman) aşırı ATP ve NADPH oluşumunu engellemek ve böylece fotosentetik aygıtın zarar görmesini önlemek için gerekli olduğu şeklindeki görüştür.



BÖLÜM 10 FOTOSENTEZ:KARBON METABOLİZMASI



175



OKUMA PARÇASI 10.1. FOTORESPİRASYONUN ETKİNLİĞİ Hava ile dengelenmiş bir çözeltide (25 °C de) C 0 2/ 0 2 oranı 0,0416 dır. Böylece 25 °C havada karboksilasyonun oksijenasyona oranı 3:1 dir. Fotorespirasyonda ribuloz difosfatın oksijenasyonuyla oluşturulan 2 molekül fosfoglikolat (4 karbon atomu), 1 mol C 0 2 ve 1 mol 3-fosfogliserata (3 karbon atomu) dönüştürülerek C3 devrinde kullanılır. Kısaca karbondioksit karbonunun %75’i fotorespirasyonla yeniden oluşturulmakta ve C3 devrine geri döndürülmektedir. Başka bir ifade ile teorik olarak fotorespirasyona giren karbonun 0,25’i C 0 2 olarak ayrılmaktadır. 25 °C’deki havada ayçiçeği yapraklarında yapılan ölçümler net fotosentez hızının % 20-25’inin fotorespirasyonla serbest bırakılan C 0 2 olduğunu göstermiştir. Bunun anlamı, toplam fotosentez hızı, net fotosentez hızının % 120125’idir. Bu toplam hız, ribuloz difosfatın karboksilasyon hızı ile eşit olabilir. In vivo olarak ribuloz difosfatın oksijenasyon hızı, fotorespirasyonla serbest bırakılan C 0 2 hızının iki katıdır. Böylece in vivo olarak 25 °C’de oksijenasyon net fotosentez hızının % 40 - % 50’si kadardır. Bu fizyolojik ölçümler 25 °C’de havadaki karboksilasyonun oksijenasyona oranını 2,5-3 olarak göstermiştir. Daha önce belirtildiği gibi ribulozdifosfatın karboksilasyonu ve C3 devri ile bir C 0 2 fîksasyonu için 3 ATP ve 2 NADPH (521 kJ veya 125 kcal) kullanılmaktadır. Fotorespirasyon yoluyla her bir ribulozdifosfatın oksijenasyonu için 2 ATP ve 2,5 NAD(P)H (600 kJ veya 144 kcal) tüketilmektedir. Yukarıda belirtildiği gibi havadaki karboksilasyon / oksijenasyon oranı 3:1 olup, ATP ve NADPH formunda fazlaca enerji, fotorespirasyon al kayıplan telafi edilmelidir. 2,5 C 0 2‘nin net fîksasyonu için karboksile edilen 3 mol ribulozdifosfat + oksijenle reaksiyona giren 1 mol ribulozdifosfat, toplam (3x521 +600) 2163 kJ (519 kcal) eneıji girişine ihtiyaç duyar. Böylece havada fotorespirasyonla ribulozdifosfatın oksijenasyonu için fikse edilen C 0 2 molu başına gerekli eneıji 521 kJ (125 kcal) dan (2163/2,5) 867 kJ’a (208 kcal) çıkmaktadır. Bu durum termodinamik etkinliğini % 90’dan (467 kJ/521 kJ =0,90) %54’e (467 kJ/867 kJ=0,54) indirgemektedir. Buradaki 467 kJ, fruktozun herbir karbonunun taşıdığı enerjidir (467x6=2802 kJ=673 kcal). Bu azalan etkinlik fotorespirasyon oluşmadığı durum (düşük 0 2 ve yüksek C 0 2) ile fotorespirasyon un oluştuğu (düşük C 0 2 ve yüksek 0 2’li normal hava) durum arasındaki farkı ifade eder. Fotorespirasyon ve C3 devri arasındaki denge Rubisco’nun kinetik özellikleri, C 0 2 ve 0 2 konsantrasyonu ile kontrol edilir. Çevresel faktörler de bu dengeyi etkileyebilir. Bunlardan en önemlisi sıcaklıktır. Sıcaklık artıkça hava ile temasta olan bir



176 çözeltideki C 0 2 konsantrasyonu 0 2 konsantrasyonundan daha fazla azalır. Bunun sonucu olarak C 0 2 / 0 2 konsantrasyon oranı sıcaklık artıkça azalır. Sonuç olarak sıcaklık artıkça, C 0 2 ve 0 2 çözünürlüğü üzerine sıcaklık etkisinden dolayı fotorespirasyonun fotosenteze



oranı



artar.



Ayrıca



Rubisco’nun



sıcaklık



artıkça



karboksilasyon



fonksiyonuna oranla oksigenasyon fonksiyonu da artar.



Fotorespirasyonun İnhibisyonunun Verimi Artıracağına İnanılm aktadır Fotorespirasyon, fotosentetik üretimi azalttığından dolayı, özellikle zirai üretimle ilgilenen araştırıcılar tarafından üzerinde çok durulan bir olaydır. Bu nedenle botanikçiler ve bitki biyokimyacıları, fotorespirasyonu azaltmak veya elimine etmek için sürekli çalışmaktadırlar. Bilindiği gibi Rubisco, karbondioksit yerine oksijenle reaksiyona girerse, havadaki oksijen miktarı azalır, CO2 seviyesi ise artar. C3 bitkileri bu şartlar altında büyütüldüğü zaman, onların büyümelerinin çok hızlı olduğu görülmüştür. Bu şekilde fotorespirasyon hızının azalması, C3 bitkilerinin büyüme hızını arttırmaktadır. Fakat büyük zirai alanlardaki oksijen miktarını azaltmak, karbondioksit miktarını ise arttırmak mümkün değildir. Fotorespirasyonu engellemek için düşünülmüş olan ikinci bir yaklaşım, fotosentezi inhibe etmeyecek, sadece fotorespirasyonu engelleyecek inhibitörlerin bulunmasıdır. Fotorespirasyonla ilgili olarak bulunan inhibitörlerden birisi a- hidroksi -2-piridin metasülfonik asit (a-HPMS) diğeri izonikotinik asit (INH) dir. Bu maddelerin uzun süreli olarak bitkilere tatbik edilmesi durumunda toksik ve arzu edilmeyen etkilere neden oldukları belirlenmiştir. Son zamanlarda RuDP'dan glikolat oluşumunu engelleyen ve glikosidat olarak adlandırılan çok spesifik bir fotorespirasyon inhibitörü bulunmuştur. İnhibitörlerle fotorespirasyonu konusunda önemli bir başarı elde edilememiştir.



elimine



etme



çalışmaları



Zirai bitkilerde fotorespirasyonu azaltmak için üçüncü yaklaşım, düşük fotorespirasyona sahip olan mutantlar yetiştirmek ve genetik varyantlar üretmektir. Fotorespirasyonu genetiksel ve kimyasal yollarla engelleme konusundaki çalışmaların sonuçlarının ne olacağı tam olarak bilinmeden devam ettirilmektedir. Bu konuyla ilgili olarak, fotorespirasyon mekanizması engellenmiş bitkilerin orta kuraklık şartlarında hasar gördükleri belirlenmiştir.



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ:KARBON META



177



C4 (HATCH-SLACK) YOLU Fotosentezin bu karbondioksit fîksasyon şekli ilk olarak bazı tropikal bitkilerde (mısır ve şekerpancarı gibi) bulunmasına rağmen, son zamanlarda bu yolun Gramineae'nin diğer bazı türlerinde, Cyperaceae (köşelisazgiller), Aizoaceae, Amaranthacae (Horozibiğigiller), Chenopodiaceae (ıspanakgiller), Compositae, Euphorbiaceae, Nyctaginaceae (Gecesefasığiller), Portulaceae (semizotugiller) ve Zygophyceae gibi bazı dikotiledon familyalarında da meydana geldiği belirlenmiştir. Bu olayın meydana geldiği bitkiler C4 bitkileri olarak adlandırılır ve yüksek ışık yoğunluğu olan ortamlarda ve 30-35 °C günlük sıcaklığa sahip olan bölgelerde yetişirler. İlk zamanlar fotosentez olayında karbondioksitin tek bir yolla fikse edildiğine inanılıyordu.



1965 yılında Kortschak ve arkadaşları etiketli



karbondioksitli bir ortamda fotosenteze maruz bırakılan şeker pancarı yapraklarında ilk işaretlenen bileşiklerin 4C'lu dikarboksilik asitler (malik ve aspartik asit) olduğunu göstermişlerdir. Bu çalışmalar daha sonra Hatch ve Slack tarafından geliştirildi ve ilk olarak bu araştırıcılar, 3 karbonlu bir bileşiğin bir karbondioksitle birleşerek 4 karbonlu bir dikarboksilik asiti oluşturduğunu ve daha sonra bu dikarboksilik asitin dekarboksile olarak 3PGA'yı meydana getirdiğini belirlediler. C4 Bitkileri C3 Bitkilerinden Önemli Farklılıklar Gösterir 1) C4 bitkileri yüksek bir fotosentez hızına sahiptir. Örneğin C4 yolunda saatte dm2 yaprak yüzeyi başına 40-80 mg karbondioksit fıkse edilirken, bu değer C3 bitkileri için 15-40 mg'dır. 2) C4 bitkileri yüksek bir büyüme hızına sahiptir. Örneğin günlük dm2 yaprak yüzeyi başına 4-5 g kuru ağırlık kazancı varken, C3 bitkileri için bu değer 0,5-2 g arasındadır. 3) C4 bitkilerinin ürettikleri kuru madde miktarına oranla kaybettikleri su miktarı da azdır. Örneğin gram kuru ağırlık başına kaybedilen su 250-350 g iken bu değer C3 bitkileri için 450-950 g'dır. 4) C4 bitkileri düşük bir fotorespirasyon hızına sahiptirler. 5) anatomik olarak da C3 bitkileri ile C4 bitkileri arasında bazı önemli farklar mevcuttur. C4 bitkilerinin yapraklannda fotosentez yapan hücrelere kadar uzanan hava boşlukları mevcut olup, bu nedenle etkili bir CO2 almırnı sağlanır. İletim demetlerinin etrafında sıkıca toplanmış bir çift sıra halinde demet kını hücreleri yer alır (Şekil 10.5). Demet kmı hücrelerine yakın bir konumda halka şeklinde gevşek olarak düzenlenmiş mezofıl hücreleri bulunur. Burada mezofıl ve demet kını hücreleri arasında çok sayıda



178



plazmodesmata mevcuttur. Diğer taraftan demet kını ve mezofil hücrelerinde bulunan kloroplastlar gerek şekil ve gerekse görünüm bakımından oldukça farklıdırlar. Demet kını hücre kloroplastları büyük olup, nişasta taneleri gelişmiş ve granaları eksiktir. Mezofil hücre kloroplastları ise küçük, nişastasız ve bol granalıdır. C4 YOLUNUN M EKANİZM ASI C4 bitkilerinin yapraklarında karbondioksit, açık olan stomalardan içeri girerek, geniş hücre arası boşluklarından geçer ve mezofil hücrelerinde karbonik anhidraz enzimi tarafından su ile birleşerek suda çözünür ve iyonize olur. Meydana gelen H C 03', mezofil hücrelerinde bulunan fosfoenol pirüvat karboksilaz enzimi (PEP karboksilaz) yardımıyla fosfoenolpirüvatı (PEP) karboksile ederek okzaloasetatı (OAA) oluşturur (Rubisco’nun substratı C 0 2 olmasına rağmen, PEP karboksilazın substratı HCCV'dir). OAA, daha sonra malata veya bazı bitkilerde aspartata dönüşür. Malat veya aspartat plazmodesmalar yardımıyla demet kını hücrelerine geçer ve orada dekarboksile edilir, yani karbondioksit ve pirüvata (PA) ayrışır. Pirüvat, tekrar mezofil hücrelerine dönerek PEP'e dönüşür. Meydana gelen karbondioksit ise demet kını hücrelerinde mevcut Rubisco yardımıyla 3-PGA'ye dönüştürülür ve böylece C3 yoluna katılır (Şekil 10.5). MEZOFİL HÜCRESİ



DEMET KINI HÜCRESİ



Şekil 10.5. C4 bitkilerinde mezofil ve demet kını hücrelerinde meydana gelen C4 yolunun şematik görünümü (Lavvlor’dan)



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ:KARBON META



179



C4 YOLUNUN BİLANÇOSU Demet kını hücrelerindeki Calvin devrinin çalışması, C3 bitkilerinin kloroplastlarındaki Calvin devri ile aynıdır. Böylece bilançoları aynı olup, herbir karbondioksit fıksasyonu için ihtiyaç duyulan ATP sayısı 3, NADPH sayısı ise 2’dir. C4 yolunda bunlara ilave olarak 2 ATP mezofıl hücrelerindeki pirüvatm, PEP'e dönüşmesi için kullanılır. Böylece fotosentezin C4 yolu, herbir karbondioksit fıksasyonu için 5 ATP ve 2 NADPH'a ihtiyaç duyar (bu C3 bitkilerinde 3 ATP ve 2 NADPH idi). Bu nedenle fotosentezin C4 yolu, C3 yolundan daha yararsız görülmektedir. Fakat gerçekte bu böyle değildir. Çünkü burada fotorespirasyonun etkisi göz önüne alınmamıştır. Daha önce belirtildiği gibi C4 bitkilerindeki fotorespirasyon hızı, C3 bitkilerinkinden çok çok azdır. Böylece bir molekül CO2 fikse etmek için ihtiyaç duyulan ATP ve NADPH'ın net sayısı C4 bitkilerinde C3 bitkilerine oranla önemli derecede düşüktür. Sonuç olarak bütün bunlar, C4 bitkilerinin C3 bitkilerinden daha etkili bir assimilasyona sahip organizmalar olduklarını göstermektedir. C4 YOLUNUN AM ACI C4 yolunda PEP'in karboksilasyonu tarafından 4 karbonlu bir bileşiğin sentezlenmesi, mezofıl hücrelerinden demet kını hücrelerine bu bileşiklerin taşınması, CCVyi oluşturmak için bu bileşiklerin dekarboksilasyonu ve fikse edilen herbir CO2 için fazladan 2 ATP'nin kullanılması yararsız ve israf olarak görülmektedir. Fakat bu yolun bir amacının olması fizyologları uzun zaman düşündürmüştür. Genel bir fikir olarak, C4 yolunun demet kını hücrelerindeki karbondioksiti konsantre etmek için hizmet gördüğü sonucuna varılmıştır. Bilindiği gibi C4 bitkileri sıcak ortamlarda yetiştiğinden transpirasyonla su kaybını minumuma indirmek için gerek yaprak anatomileri ve gerekse stomalar bakımından değişik bir yapıya sahiptirler. Böylece C4 bitkileri sıcak ve kurak ortamlarda C3 bitkilerine oranla daha çok yaşama şansına sahiptirler. Fakat C4 bitkilerinde bu farklılık karbondioksit aliminim da zorlaştırmaktadır. Böylece C4 bitkilerindeki karbondioksit alımmındaki bu zorluk bir karbondioksit konsantre etme mekanizmasına ihtiyaç duyar. Bu da yukarıda izah edildiği gibi mezofıl hücrelerinde meydana gelir. Kısaca fotosentezin C4 yolu çok sıcak ve kurak şartlara karşı gelişen bir adaptasyon şekli olarak da düşünülebilir. Demet kını hücrelerinde konsantre edilen CCVnin C4 bitkilerine sağladığı diğer fayda fotorespirasyonu bastırması ile ilgilidir. Demet kını



180



hücrelerindeki karbondioksit konsantrasyonu, 60 pM olarak hesaplanmıştır. Bu değer normal havada fotosentez yapan C3 bitkilerinin yapraklarında tahmin edilen karbondioksit konsantrasyonundan 8-10 kat daha yüksektir. Bilindiği gibi Rubisco enzimi oksigenaz fonksiyonuna da sahip olup, fotorespirasyon olayının anahtar enzimidir. Eğer ortamda oksijen miktarı daha fazla ise, o zaman oksigenaz fonksiyonu aktif hale gelir. Eğer CO2 miktarı fazla ise bu durumda, bu fonksiyon inhibe edilir ve böylece fotorespirasyon olayı engellenir. C4 yolu ile demet kını hücrelerinde CO2 sürekli konsantre edildiği için, fotorespirasyon inhibe edilir. Bu yolla C3 bitkilerinde fotosentetik olarak fıkse edilen karbonun %20-40 oranındaki kaybı, böylece C4 bitkilerinde önlenmiş olur.



CRASSULASEAN ASİT METABOLİZMASI (CAM) Crassulasean asit metabolizması meydana gelen bitkiler sukkulent bitkiler olup, en fazla Crassulaceae (damkoruğugiller, örneğin Kalanchoe spp. ve Sedum gibi) familyasında rastlanır. Ayrıca Agavaceae, Bromeliaceae (Ananasgiller), Liliaceae (Zambakgiller) ve Orchidaceae (sütleğengiller) gibi monokotiledon familyalarında ve Aizoaceae, Asclepiadaceae, Chenopodiaceae, Compositae, Convolvulaceae (sarmaşıkgiller), Euphorbiaceae, Plataginaceae (sinirliotugiller), Vitaceae, Bataceae, Cactaceae gibi dikotiledonlara ait familyalarda ve hatta Polypodiaceae gibi Pteridophyta’ya ait familyalarda da meydana gelir. Bugüne kadar yapılan araştırmalarda ilkel bitkilerde CAM’ın nadir olarak meydana geldiği bulunmuştur. CAM bitkilerinin başlıca özellikleri şunlardır: Normalde stomalar gece açık (yani karanlıkta), gündüz ise kapalıdır. Yaprak ve gövdelerinde kloroplast ihtiva eden hücreler, karanlık saatlerde karbondioksit fıkse eder ve önemli miktarda malik asit sentezlerler. Sentezlenen bu malik asit CAM bitkilerinde bulunan büyük vakuollerde depolanır. CAM bitkilerinde kazanılan karbondioksitin her gramı için 50-100 g su harcanır. Bu değer C3 ve C4 bitkilerinden çok düşüktür (C4 bitkileri için 250350 g, C3 bitkileri için 450-950 g). CAM M EKANİZM ASI Geceleyin karbondioksit açık olan stomalardan dokulara girer. Bu dokulara ait hücrelerde karbondioksit, PEP karboksilaz yardımıyla PEP ile reaksiyona girerek OAA meydana gelir. OAA daha sonra malat dehidrogenaz



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ: KARBON METABOLİZMASI



181



ve NADH yardımıyla malata indirgenir. Meydana gelen malat aktif olarak tonoplast zarından geçerek vakuole taşınır ve orada depolanır. Gündüzleri ise vakuolde depolanan malat sitoplazmaya geçer ve dekarboksile edilir. Açığa çıkan karbondioksit aynen C4 devrinde olduğu gibi Calvin devri ile indirgenirken, pirüvatta sırasıyla PEP'e, 2PGA ve 3PGA'ya dönüştürülerek yine Calvin devrinde kullanılır. Geceleyin karbondioksiti yakalayan PEP'in sentezlenmesi ise nişasta veya buna benzer bileşiklerin glikolize benzer bir parçalanma ile meydana getirilir (Şekil 10.6). CAM metabolizması çok kurak bölgelerde yetişen bitkilerde meydana gelir. Bu bitkiler gündüzleri çok sıcak olduğu için stomalarmı kapalı tutarlar. Bu durumda fotosentezin, diğer karbondioksit fiksasyon yollarını kullanmaları mümkün değildir. Farklı stres tipleri tarafından uyarılan CAM metabolizmasına sahip, bazı fakültatif CAM bitkilerinin olduğu gösterilmiştir. Bu düzenleme şekli, CAM genlerinin ifadesinin çevresel kontrole duyarlı olduğunu göstermiştir. Stoma A çık



Stoma Kapalı



Şekil 10.6. CAM metabolizmasının şematik olarak gösterilmesi.



FOTOSENTEZİN ALTERNATİF ÜRÜNLERİ Fotosentezin en önemli organik ürünleri olarak sakkaroz ve diğer karbohidratlar düşünülür. Bu şekilde genel bir ifade kullanılmakla birlikte, CO2 fiksasyon safhasının ara ürünleri, doğrudan protein, aminoasit, yağ ve yağ asitleri gibi diğer organik bileşikler de olabilir. Bazı bitkilerde fıkse edilen



182



C 0 2'nin % 30'u aminoasitlere ve proteinlere; % 30’u ise lipidlere bağlanır. Bu durum özellikle bazı deniz alglerinde çok barizdir. Fotosentez konusundaki araştırmaların en önemli amaçlarından biri de en son oluşan ürünün ne olduğudur. Çünkü hayvan yemi, insan besini veya katkı maddesi olarak kullanılan yapraklarda fotosentetik üretimi artırmak oldukça önemlidir. FO TOSENTETİK HÜCRELERDE SENTEZLENEN KARBOHİDRATLARIN HÜCRELER ARASINDAKİ TAŞINIM I Fotosentezde fıkse edilen karbon, nişasta ve sakkaroz (sukroz) olmak üzere iki karbohidrat formuna dönüşür. Sakkaroz, fotosentezde fıkse edilen karbonun taşınma şekli olup, ihtiyaç olan yumrular, büyüyen tohumlar ve aktif büyüyen bitki kısımlarına bu formda taşınırlar. Nişasta, fotosentezin çok aktif olduğu devrelerde kloroplastlarda geçici olarak depo edilir ve kloroplastlarda gittikçe büyüyen nişasta granülleri halinde görülürler. Fotosentezin aktif olmadığı yani karanlık periyotlarda sakkaroza dönüşerek depo organlarına taşınırlar. Aşağıdaki şekillerde bu olaylar şematik olarak özetlenmiştir (Şekil 10.7 ve 10.8).



Şekil 10.7. C3 bitkisine ait fotosentetik bir hücrede nişasta ve sakkaroz sentezi Nişasta oluşumu için F-6-P kullanılır ve G-l-P ile G-6-P yoluyla ADPglukoza dönüştürülür (Burada rol alan enzimler glukoz fosfat izomeraz, fosfoglukomutaz ve G-l-P adenil transferaz'dır). Daha sonra ADP-glukoz, amiloz sentezinde kullanılır. Bu reaksiyon için ihtiyaç duyulan primer (öncül molekül), maltoz veya desktrindir. Burada amilozun büyük bir kısmı amilopektine dönüştürülür.



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ:KARBON META



183



Sakkaroz, sitoplazmada sentezlenir. Bunun için kloroplastlardan taşman DHAP (bir taşıyıcı (translokatör) yardımıyla), sitoplazmaya geçer ve sitoplazmik glikoliz enzimleri ile G-l-P'a dönüştürülür. Daha sonra G-1-P2dan, G-l-P uridinil transferaz yardımıyla UDP-glukoz sentezlenir ve sakkaroz fosfataz ile sakkaroz fosfat sentaz yardımıyla sakkaroz meydana getirilir. Fotosentez yavaşlar veya durursa, kloroplastlardaki nişasta grandilerinde yıkım başlar. Burada nişasta fosforilaz tarafından G-l-P meydana getirilirken, amilazlar, a-l,6-glukosidik bağ parçalayıcı enzimler ve a-glukosidaz tarafından da glukoz üretilir. Bazı maltozlar ve kısa zincirli dekstrinler ikinci safhada üretilirler ve bunlar ışık safhası süresince primer olarak görev yaparlar. Daha sonra glukoz ve G-l-P, kloroplastlardaki enzimler tarafından DHAP'a dönüştürülürce sakkaroz sentezi için sitoplazmaya taşınır. Yukarıda belirtildiği gibi fotosentez sonucunda oluşan organik moleküller, yalnız karbohidratlar değildir. Örneğin 3PGA, bazan 3PGAL ve DHAP'a dönüşmeyip, pirüvat, amino asit ve yağ asidi oluşumunda kullanılır.



Şekil 10.8. C3 bitkisinin fotosentetik hücresinde nişastanın sakkaroza dönüşümü



FOTOSENTEZ HIZININ ÖLÇÜLMESİ Fotosentez hızı, ya reaksiyona giren bileşiklerin (H2Ove C 0 2) tüketimi ya da rrteydana gelen ürünlerin (0 2ve organik maddeler) oluşum hızları ile ölçülür. Pratik olarak, genelde fotosentetik su tüketim hızını ölçmek oldukça zordur. Bu nedenle fotosentez, genel olarak oksijen üretim ya da C 0 2 tüketim hızları ile ölçülür. Uzun süreli denemelerde net fotosentez hızı, biriken organik



184



maddelerin ağırlığının tartılması ile hesaplanabilir. Bu yöntemler kısaca açıklanacaktır. Karbondioksit Tüketiminin Ölçülmesi Bitkilerde fotosentetik C 0 2 tüketimi, radyoaktif karbon (14C) ihtiva eden COî'nin bir Geiger cihazı yardımıyla ölçülmesi ile belirlenir. Bu amaçla, 14C 0 2 ihtiva eden hava, fotosentez hızı ölçülecek yaprağın bulunduğu ortama verilir (14C 0 2'nin bir kısmı fotosentezde tüketilir), diğer kısımdan çıkan havadaki kalan l4C 0 2seviyesi ölçülür (Şekil 10.9). Benzer ölçümlerde Geiger sayacı yerine infrared karbondioksit gaz analiz cihazı da kullanılabilir. Bu durumda radyoaktif C 0 2 kullanılmasına da gerek yoktur. İnfrared karbondioksit gaz analiz cihazı, belirli dalga boylarındaki infrared radyasyonunu absorbe eden C 0 2'yi belirleme esasına göre çalışır. Bu alet, ölçülecek gaz örneğinden bir çift infrared radyasyon geçirir ve absorbe edilen infrared radyasyon miktarı, C 0 2 miktarı ile orantılı olduğundan, C 0 2 seviyesini belirler.



"COj



Şekil 10.9. Karbondioksit tüketiminin ölçülmesi (Kaufman’dan) Oksijen Üretiminin Ölçülmesi Fotosentezde oksijen açığa çıkışını göstermek için Elodea gibi bazı sucul bitkiler kullanılabilir. Bu bitkiler suya batırılıp, ışığa maruz bırakıldığında, gövdelerinin kesildiği kısımdan hava kabarcığı çıkışı gözlenebilir. Bu hava



BÖLÜM 10



FOTOSENTEZ: KARBON METABOLİZMASI



185



kabarcıkları oksijence zengin olup, oluşan kabarcıkların sayılması ile fotosentez hızı tahmin edilebilir. Kantitatif olarak fotosentetik oksijen üretimi, oksijene duyarlı elektrotların kullanılması ile de ölçülebilir. Bu elektrotlar özel bir oksijen sensörüne sahip olup, çevre oksijen konsantrasyonunda meydana gelen değişimleri elektriksel olarak kaydedebilirler. Volum etrik Ölçüm ler Fotosentez esnasında üretilen oksijen ve tüketilen C 0 2 arasında 1:1 oranı bulunmasına rağmen, kapalı bir alanda fotosentez yapan yaprağın çevresindeki gazın basınç ve hacminde eşit bir değişim yoktur. Bununla birlikte eğer fotosentetik bir doku, sabit bir C 0 2'ye sahip C 0 2 tamponunun varlığında kapalı bir sisteme konulursa, üretilen oksijen birikir ve sistemde basınç artışına sebep olur. Bu metodun esası Alman biyokimyacı Otto Warburg tarafından ortaya konulmuş olup, genellikle Warburg yöntemi olarak adlandırılır. NET FOTOSENTEZ Bilindiği gibi fotosentez olayında oksijen üretimi ve C 0 2 tüketimi meydana gelir. Bitkiler, biyokimyasal reaksiyonları için gerekli enerjiyi fotosentetik olarak üretilen organik maddelerden karşılarlar. Bu enerji, şeker ve diğer organik maddelerin solunumu ile sağlanır. Reaksiyon sonucu C 0 2, su ve enerji meydana gelir. Oksijen harcanarak meydana gelen bu olay aşağıdaki şekilde şematize edilir: C6H,20 6+ 6 0 2 6H20 + 6C 02+ Enerji Bu olay Bölüm 13’de detaylı olarak anlatılacaktır. Görüldüğü gibi solunum ve fotosentez olayları gaz değişimi bakımından birbirinin tersidir. Bu durum fotosentez ölçümlerini zorlaştırmaktadır. Örneğin fotosentez hızını C 0 2 tüketimi ile ölçen bir kişi, solunum sırasında C 0 2’in üretildiğini unutmamalıdır. Normal şartlar altında fotosentetik C 0 2tüketimi, büyük oranda solunumsal C 0 2 üretimini aşar ve net bir tüketim ortaya çıkar. Aynı şekilde fotosentetik oksijen üretimi, solunumsal oksijen tüketiminden fazladır. Bu şekilde net C 0 2 tüketimi veya net 0 2 üretimi net fotosentez olarak tanımlanır. Yani net fotosentez; ölçüm periyodu esnasında solunumla tüketilen oksijen ya da serbest bırakılan C 0 2miktarının, toplam fotosentezden çıkarılması ile (Net fotosentez = Toplam fotosentez - Solunum) elde edilir.



BÖLÜM 1 1



FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ Yaprak yüzeyinde birim alan başına fotosentez hızı türden türe değişir. Bu değişim, büyük ölçüde çevresel faktörlere bağlıdır. Bunlar; ışık yoğunluğu, C 0 2 konsantrasyonu, sıcaklık, oksijen konsantrasyonu, suyun kullanılabilirliği, beslenme durumu ve çevresel kirleticilerdir. IŞIK YOĞUNLUĞU Fotosentetik elektron taşınım reaksiyonları esnasında ATP ve NADPH oluşumu için ışığa ihtiyaç duyulduğundan, fotosentezin ışık yoğunluğundan etkilenmemesi düşünülemez. Düşük ışık yoğunluğu fotosentez için sınırlayıcı bir faktör olup, ışık yoğunluğu arttıkça fotosentez hızı da artar (Şekil 11.1). Fakat yüksek ışık yoğunluklarında bazı faktörler (C 02 gibi) sınırlayıcı olabilir. Şöyle ki; ışık yoğunluğundaki artış, bütün durumlarda fotosentezi hızlandırmaz. Üç farklı C 0 2 konsantrasyonunda, ışık yoğunluğuna fotosentez hızının bağımlılığı şekilde (Şekil 11.2) gösterilmiştir. Karbondioksit seviyesi sıfır olduğu zaman, ışık yoğunluğunun değişmesi, fotosentez hızını etkilemez. Çünkü C 0 2'siz ortamda fotosentez meydana gelmez. % 0.03 C 0 2 yoğunluğunda fotosentez, tüm güneş ışığının yaklaşık 1/4'üne yakın bir yoğunluğa bağlılık gösterir. Bu noktadan sonra, ışık yoğunluğundaki artış, fotosentezi hızlandırmaz. Çünkü diğer faktörler (C 02 kullanılabilirliği) sınırlayıcı olmuştur. Karbondioksidin yüksek seviyelerinde (Şekil 11.2’de % 0.09 olarak ifade edilmiş) fotosentez hızı C 0 2 kullanılabilirliği sınırlayıcı oluncaya kadar ışık yo-



BÖLÜM



11FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



187



Şekil 11.1. Işık yoğunluğunun C3 ve C4 bitkilerinde fotosentez üzerine etkisi ğunluğu ile birlikte artmaya devam eder. Aynı zamanda bu şekil, fotosentezdeki sınırlayıcı faktörlerin iyi bir örneğini sergilemektedir. Yani fotosentez, diğer faktörler optimum olsa bile bir faktör tarafından sınırlandırılabilir. Fotosentez hızı, diğer bazı faktörler sınırlayıcı oluncaya kadar orantılı olarak artar. Bu durumda ikinci sınırlayıcı faktör, fotosentez hızını yükseltmek için artırılmalıdır.



Şekil 11.2. Işık yoğunluğunun karbondioksit konsantrasyonu ile ilişkisi Şekil 11.1 ve Şekil 11.2’deki bilgiler ışık yoğunluğuna karşı, fotosentez hızı olarak ifade edilmiştir. Beklenildiği gibi fotosentez hızı karanlıkta sıfırdır.



188



Fotosentez hızı yerine CO2 alınım hızını koyarsak aşağıdaki grafik elde edilir (Şekil f i . 3).



Şekil 11.3. Işık yoğunluğu kompenzasyon noktası Sıfır ışık yoğunluğunda fotosentez hızı da sıfırdır. Fakat solunumla C 0 2'nin ortama verilmesi devam ettiği için, CO2 almımmm gerçek hızı negatif olur, yani net bir C 0 2 üretimi vardır. Net C 0 2 alınmamda sıfır durumunu elde etmek için, solunum tarafından açığa çıkarılan CO2 nin fotosentezle tüketilmesini sağlayan yeterli ışık, ortama verilmelidir. Bu denge durumunu sağlayan ışık yoğunluğuna ışık yoğunluğu kompenzasyon noktası adı verilir ve fotosentetik C 0 2 alınmamın, solunumsal C 0 2 salmımına eşit olduğu ışık yoğunluğu olarak bilinir (Şekil 11.3). Işık yoğunluğu kompenzasyon noktası güneş ve gölge bitkileri için çok farklıdır. Güneş bitkilerinde (örnek Atriplex ) ışık yoğunluğu kompenzasyon noktası 10-20 pmol m 2 s 1, oysa gölge bitkileri (örnek A s a r ım ı caudatum) için bu değer 1-5 pmol m'2 s'1dir. Gölge bitkilerinde bu değerin çok düşük olması, çok düşük solunum hızına sahip olmalarından kaynaklanır. Düşük solunum hızının, ışığın sınırlı olduğu bir çevrede yaşaması için bir adaptasyon mekanizması olduğu görülmektedir.



OKUMA PARÇASI 11.1. FOTOSENTEZ, ÇOK HÜCRELİ HAYATIN OLUŞUM UNU SAĞLAYACAK ŞEKİLDE, İLK YERKÜREYİ DEĞİŞTİRM İŞTİR İlk yeryüzü atmosferinin bileşimi bugünkü atmosferin bileşiminden çok farklıydı. Günümüzde mevcut (doğal) atmosferin bileşiminde % 78 azot gazı (N2), % 21



BÖLÜM 11 FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



189



oksijen ( 0 2), yaklaşık %1 argon, su buharı (H20 ), ozon ( 0 3) ve karbondioksit (C 02) vardır. İlk yerküre atmosferi, temelde volkanik orijinliydi. Bilim adamları ilk atmosferde moleküler hidrojen (H2), su buharı, amonyak (NH3), azot gazı, metan (CH4) ve karbondioksit (C 0 2) gibi gazlann bulunduğunu düşünmektedir. İlk atmosferde bulunan metan ve karbondioksit, şu andakinden çok daha yüksek bir seviyedeydi. Bilim adamları ilk atmosferde oksijenin olmadığı konusunda hemfikirdirler. Günümüz atmosferi, insan dahil, karmaşık yapılı hayat formlarının gelişimini desteklemektedir. Oysa, bu karmaşık yaşam formlarının ilk yerküre atmosferi içinde bulunması mümkün değildi.



Peki, ilk



yerküreden günümüze doğru, atmosferdeki bu önemli değişme nasıl meydana gelmiştir? Yaklaşık 3,5 milyar yıl önce ilk yerküre denizlerinde bol miktarda fotosentetik mikroorganizma, ilk yerküre atmosferinde ise bol miktarda karbondioksit bulunuyordu. Bu mikroorganizmalar, güneşten gelen eneıjiyi kullanarak, karbondioksiti, basit karbohidratlara indirgemişlerdir. Bu esnada, güneşten gelen eneıji karbohidratlann kimyasal bağlannda depolanmış, tepkime ürünü olarak da oksijen açığa çıkmıştır. Bu oksijen atmosfere geçmiş, ve orada yavaş yavaş birikmiştir. Böylece, milyonlarca yıl boyunca, atmosferik karbondioksit oranı azalmış, oksijen miktarı ise artmıştır. Atmosferdeki bu oksijenin bir kısmı ozonu ( 0 3) oluşturmak için birbirleriyle birleşmişlerdir. Ozon, canlılar için aşırı zararlı olap ultraviyole (mor ötesi) ışınlarına (UV) karşı çok etkili bir koruyucudur. İlk fotosentetik canlılar, okyanuslarda, yeryüzüne ulaşan zararlı UV ışınlarının süzülüp azalabileceği kadar yeterli derinlikteki su tabakalarında yaşamışlardır. Zamanla atmosferdeki ozon ve oksijen seviyeleri artıkça, suyun yüzeyine doğru yayılmaya başlamışlardır. En sonunda, günümüzden yaklaşık 600 milyon yıl önce, yerküre atmosferinde yeterli seviyede oksijen ve ozon birikmişti. İşte bu dönemde, okyanuslardaki karmaşık yapılı çok hücreli canlılar, muazzam bir artış göstermiştir. Yaklaşık 150 milyon yıl sonra (günümüzden 450 milyon yıl önce) daha ileri ve karmaşık yapılı çok hücreli yaşam, karalara da geçmiştir. Böylece denilebilir ki, bugün karalar üzerinde yaşayan insanlar ve diğer bütün ileri yapılı canlılar, varlıklarını fotosentez olayına borçludurlar.



KARBONDİOKSİT KONSANTRASYONU Havadaki C 0 2konsantrasyonu yaklaşık olarak 350 ppm ya da % 0.05'dir. Yapraktaki C 0 2 konsantrasyonu hızlı fotosentez sırasında bu değerden aşağıya düşebilir. Bu bile C 0 2 konsantrasyonunun fotosentez hızını belirlemede önemli bir değişken olduğunu gösterir. Buğday (C3 bitkisi) ve mısır (C4 bitkisi) yüksek



190



ışık yoğunluğunda tutulursa, fotosentez hızı CO2 konsantrasyonu ile bir değişim gösterir. Beklenildiği gibi fotosentez hızı, C 0 2'nin bütün konsantrasyonlarında C4 bitkilerinde C3 bitkilerinden daha yüksektir. Konsantrasyon çok küçük olduğu zaman (sıfıra yaklaşmış) C 0 2'nin net alınım hızı sıfır olur. Yani solunumda C 0 2 üretimi, fotosentetik C 02 tüketimini dengeler. Denge durumundaki C 0 2 konsantrasyonu, C 0 2 kompenzasyon noktası olarak bilinir. C4 bitkileri, C3 bitkilerinden daha etkili bir C 0 2 alma mekanizmasına sahip olduğundan dolayı C4 bitkilerindeki C 0 2 kompenzasyon noktası, C3 bitkilerininkinden çok daha azdır. Böylece mısır (C4), C 0 2 seviyesi 50 ppm'in altına düştüğü zaman fotosenteze devam edebilir, fakat buğday devam edemez (Şekil 11.4).



Şekil 11.4. Karbondioksit kompenzasyon noktası Mısır bitkisi kapalı bir yere alınıp ışıklandın lırsa, buradaki C 0 2 seviyesi 3 ppm veya daha düşük bir miktara düşebilir. Buradaki bitkiler solunumla açığa çıkardıkları C 0 2'yi fotosentezde kullanır ve C 0 2 seviyesi sabit kalır. Eğer aynı deney, buğday bitkisi kullanılarak yapılırsa, kapalı yerdeki C 0 2 seviyesi 50 ppm'e kadar düşer. Oregon State Üniversitesi'nden D. Moss, aynı ortama (kapalı ve hava geçirgen) mısır ve buğday bitkisini koymuş ve meydana gelen değişimleri kaydetmeye çalışmıştır. Bu ortamda mısır bulunduğundan C 0 2 seviyesinin yaklaşık 3 ppm'e düşeceği zannediliyordu. Bu C 0 2 seviyesinde buğdaydaki fotosentez hızı sıfır olup, fotosentezde üretilenden çok daha hızlı olarak, solunumla organik maddeler yıkılır. Bitkide depolanan besin maddeleri tükendiği zaman, bitki ölür. Bu beklenen sonuçlar Moss tarafından yapılan denemede de aynen görülmüş ve denemelerin başlamasından sonra 6 gün



192



Ilıman bölge bitkilerinin çoğunda, (yeterli C 0 2 ve ışık mevcudiyetinde), fotosentez hızı 0 °C'den 20-30 °C'ye kadar bir artış gösterir (Şekil 11.5). Sıcaklık 35°C'den yukarı çıktığı zaman fotosentez hızı azalır, 50-60 °C'de sıfıra yaklaşır. Çünkü bu sıcaklıklar enzim aktivitesini bozar. Bu optimum sıcaklık çöl bitkileri için yüksektir. Fotorespirasyon, fotosentezden daha fazla sıcaklığa bağlı bir olaydır. Yani sıcaklık arttıkça, fotorespirasyon fotosentezden daha fazla uyarılır. Bu nedenle fotorespirasyona sahip olan bitkiler (C3 bitkileri), yüksek sıcaklıklarda yavaş büyürler ve net C 0 2 fıksasyon hızları çok düşüktür. Aksine C4 bitkileri yüksek sıcaklıklarda (35-40 °C) etkili bir fotosenteze sahiptirler. Yazın en sıcak dönemde, yeşillendirmede kullanılan çeşitli otlar (C3 bitkisi) çok yavaş büyümekte iken, arsız yabani çimenin ( sanguinalis, C4 bitkisi) çok hızlı büyüdüğü kaydedilmiştir. Ayrıca çöllerde ya da tropikal çevrelerde en iyi büyüyen türler de C4 bitkilerine aittir.



Şekil 11.5. Sıcaklığın fotosentez hızına etkisi OKSİJEN KONSANTRASYONU Oksijen fotosentez için bir substrat değildir. Bundan dolayı, oksijen seviyesindeki değişmenin, fotosentez üzerindeki direkt etkisi çok azdır. Diğer taraftan fotorespirasyon, oksijen tarafından önemli derecede artırılmaktadır. Böylece net C 0 2 fıksasyonu, yüksek oksijen konsantrasyonlarında çok azdır. Normal havadaki oksijen içeriğinden (% 21) daha düşük bir oksijen konsantrasyonu altında bırakılan C3 bitkilerinde net fotosentez hızı önemli derecede artış gösterir.



BÖLÜM



II FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



193



SUYUN KULLANILABİLİRLİĞİ Su fotosentezin ham maddelerinden biri olup, suyun kullanılabilirliği fotosentez için direkt sınırlayıcı bir faktördür. Vasküler sistem yardımı ile topraktan yapraklara hareket eden suyun sadece %1'i ya da daha azı doğrudan doğruya fotosentezle tüketilmektedir. Yapraklara giren suyun çoğunluğu, transpirasyonla kaybedilir. Küçük bir miktarı ise büyüme esnasında artan yaprak hücreleri hacmine katılır. Bununla birlikte su eksikliği, indirekt olarak da fotosentezi azaltabilir. Çünkü kurak ortamlarda stomalar kapanır, bu da CO2 'nin yaprağa geçişini azaltır ve fotosentez hızı düşer. BİTKİNİN BESLENM E DURUMU Klorofil hem azot hem de magnezyum ihtiva eder. Bu elementlerden birisi veya her ikisinin de eksik olması durumunda bitkilerde klorofil miktarı azalır ve sarı bir görünüm ortaya çıkar. Benzer semptomlar, demir eksikliği olan topraklarda da oluşur. Çünkü demir, klorofil oluşumunu sağlayan kompleksin yapısında bulunur, klorün de burada suyun parçalanmasında önemli görevleri vardır. Bu nedenle bu elementlerin eksiklikleri önemlidir. ÇEVRESEL KİRLETİCİLERİN ETKİSİ Fotosentez olayı, çok fazla sayıda çevresel kirletici tarafından etkilenebilir. Dünya nüfusunun artması ile birlikte özellikle ürün üretimini artırma çalışmaları hızlandırılmış, fakat çevre kirleticilerinin bu üretimi engelledikleri belirlenmiştir. Bunun için kirleticilerin ürünler üzerindeki olumsuz etkilerini azaltma konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Endüstri ve çok nüfuslu alanlardaki kirleticiler fotosentezi önemli derecede azaltabilecek seviyededir. Hatta kirleticilerin etkisi ile bazı hassas türlerin ortadan kalkması da mümkündür. Bu kirleticiler arasında kükürt dioksit, florürler, duman (ozon ve dumanda bulunan peroksiasetil nitrat) ve çeşitli pestisitler sayılabilir. Kükürt dioksit Kükürt dioksit (S 02), kömürün yanması ve kükürt içeren maden cevherlerinin (bakır, çinko, kurşun, nikel ve demir) işlenmesi sırasında açığa çıkar. Endüstriyel gaz temizleyiciler ve filtreler kullanılarak, endüstri alanlarındaki kükürt dioksit seviyesini azaltmak mümkündür. Fakat çok sayıdaki endüstriyel faaliyetle önemli miktarda S 0 2 havaya karışmaktadır.



194



Kükürt dioksitin bitkinin yapraklarına verdiği hasar türden türe değişmekle birlikte, en belirgin etkisi klorofil yıkımı (klorozis) üzerinedir. Kükürt dioksidin 0.1-0.3 ppm gibi sabit ve düşük bir seviyede bitkilere tatbik edilmesi sonucunda özellikle yonca ve arpa gibi duyarlı türlerde klorozise, daha yüksek seviyede (0.5 ppm) klorofilin tamamen kaybolmasına ve hücre bozulmasına (nekrozis) neden olduğu belirlenmiştir. Bu nekrotik (ölü) alanlar daha sonra beyaz ya da kırmızı -kahverengimsi bir renge dönüşür. İğne yapraklı bitkilerde, yapraklar uçlardan başlayarak kırmızı-kahverengimsi bir renge dönüşür ve olgunlaşmadan dökülürler. Yapraklarda ölü kısımların artması ve klorofil yıkımı, fotosentezi azaltır ve böylece büyüme ve verim düşüşü ortaya çıkar. Kükürt dioksit, fotosentezdeki üretimi düşürmesi yanında, yapraklarda sentezlenen şekerlerin, fide uçları ve büyüyen meyveler gibi hızlı gelişen bitki bölümlerine hareketini de azaltır. Florürler Florürler, çelik ve alüminyum üretimini kapsayan çeşitli endüstriyel aşamalarda kullanılan mineral ve kayaların işlenmesi sırasında açığa çıkarlar. Havaya karışan florürler, bitkiye stomalardan girerler ve hücre içerisinde olduğu kadar kloroplastlarda da birikirler. Florürlere duyarlı türler 1-5 ppm'lik bir konsantrasyona maruz kalırsa, hasar görürler. Florürlerin toksik seviyesine maruz bırakılan yapraklarda klorozis ve nekrozis meydana gelir. Özellikle yaprak uçlarında ya da kenarlarında fotosentezi azaltarak, büyümeyi engellerler. İğne yapraklı bitkilerde, florürlerin neden olduğu nekrozis, yaprak uçlarından başlar ve yeşil doku ile nekrotik doku arasında belirgin kırmızı-kahverengi bir bant oluşumu ile karakterize edilir. Florürlere yüksek oranda duyarlı olan bitkiler arasında gladiolus, üzüm, şeftali, mısır, çeşitli çamlar, köknar, ladin ve kayısı sayılabilir. Dumanlı sis (smog) Smog terimi duman ve sisin toplamını ifade eden bir terimdir. Kahverengimsi-gri bir duman olarak bilinen smog, çeşitli organik ve inorganik maddelerin kompleks bir karışımıdır. Bunlardan toksik olanlarının birkaçı, otomobil egsozlarından açığa çıkan azot oksitler ve hidrokarbonlara güneş ışınlarının etki etmesi ile meydana getirilir. Örneğin azot oksitler, ışığın etkisi ile ozonu (O3) meydana getirir. Azot içeren bileşikler toplu olarak peroksi açil nitratlar (en önemlisi peroksi asetil nitrat (PAN)) olarak adlandırılır.



BÖLÜM 11 FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



195



Smogun bitkiler ve hayvanlar üzerindeki tahriş edici etkisi daha çok ihtiva ettiği ozon ve PAN’dan kaynaklanır. Ozon, atmosferin üst tabakalarında doğal olarak mevcut olmasına rağmen, dikey atmosfer hareketleri ile de çok küçük miktarlarda yeryüzüne getirilir. Ozonun çok az bir miktarı da alt atmosfer tabakalarında şimşek etkisi ile üretilir. Kirletici ozonun esas kaynağı, güneş ışığının fotokimyasal olarak etkilediği otomobil emisyonlarıdır. Normal atmosferdeki (kirlilik olmayan) ozon seviyesi yaklaşık olarak 0.02 ppm'dir. Çok fazla kirlenen alanlarda bu değer 0.1-0.2 ppm’e, hatta 1 ppm'e kadar çıkabilir. Ozon, fotosentez aktivitesinde önemli derecede azalmaya ve stomaların kapanmasına neden olur. Uzun süre ozona maruz kalan bitkilerde klorozis ve nekrozis ortaya çıkar. Fotosentez üzerindeki kısa süreli etkisi stomaları kapatarak, C 0 2 kullanımını azaltarak; uzun süreli etki ise klorofil kaybına ve hücre ölümüne neden olarak yerine getirilir. Ozon hasarları hemen hemen her tip süs ve zirai bitkide belirlenmiştir. Kuzey Kaliforniya’da milyonlarca dolarlık ürün kaybının ozon ve diğer smogların etkisi ile meydana geldiği kaydedilmiştir. Ayrıca Doğu Amerika’da dağlardaki beyaz çamlar (.Pinus strobus) üzerinde, büyük metropollerden ulaşan kirleticiler bariz hasarlar meydana getirmiştir. PAN tarafından meydana getirilen bitki hasarları ise düşük seviyelerde (0.1 ppm'den az) klorozis, yüksek seviyelerde (0.1 ppm'den fazla) nekrozis ve katlanıp bükülmedin PAN'ın atmosferdeki seviyesi, smogun etki seviyesine bağlı olarak 0.02-0.05 ppm arasında değişmektedir. Pestisitler İnsanların mahsullerini zararlı otlardan, böceklerden, funguslardan ve mikroorganizmalardan korumak için kullandıkları çeşitli kimyasal maddeler pestisit olarak adlandırılır. Zararlı otlardan korumak için kullanılan pestisitlere herbisit, böceklerden korunmak için kullanılanlara insektisit, funguslardan korunmak için kullanılanlara fungisit adı verilir. Fotosenteze etki eden iki herbisit grubu vardır. Bunlar triazinler (triazin ve simazin) ve ürea türevleridirler (monuron ve diuron). Toprağa uygulanan triazinler, bitkinin kökleri tarafından alınırlar ve yapraklara taşınarak fotosentezi inhibe ederler. Fotosentez inhibisyonu, fotosentetik elektron taşınımmın inhibisyonu ile gerçekleştirilir. Şöyle ki herbisitler PS II’deki Dİ proteinine (herbisit bağlayıcı protein olarak adlandırılır) bağlanarak, plastokinona elektronların taşınması engellerler. Genellikle laboratuvar



196



denemelerinde PS II ile PS I arasındaki elektron taşımmınm durdurulması için diklorofenil dimetilürea (DCMU) bileşiği kullanılır. Böylece gövde ve yapraklarda klorozis, kuruma ve tedrici olarak ölüm meydana gelir. Herbisit uygulaması zararlı bitkilerin kontrolü için en etkili yollardan biridir. Fakat triazinler, bitkiden ayrılma konusunda inatçı ve çok düşük konsantrasyonlarda etkiye sahip olduğundan, diğer bitkileri de etkileyebilirler. Ürea türevleri, triazinlere benzer etki gösterirler. Hatta, onlardan daha inatçıdırlar. Yıllar önce muamele edilen alanlardaki ürün verimine ve fotosenteze etki edebilirler. Çeşitli insektisitler de fotosentezi etkilerler. Örneğin arsenik bulunan insektisitlerle uzun süreli muamele, klorozise ve yapraklarda yaralanmalara neden olur. Ayrıca diazinon gibi organik insektisitler de fotosentezi etkili bir şekilde inhibe ederler.



OKUMA PARÇASI 11.3. FOTOSENTETİK ÜRETİM İ ARTTIRM A ÇALIŞM ALARI ABD'de 1945-1970 yıllan arasında mısır üretimi hektar başına 420 litreden 1000 litreye çıkmıştır. Buğday ve pirinç gibi diğer hububatların üretiminde de önemli artışlar olmuştur.



Bu



çalışmalar, büyük ölçüde



genetik çalışmalarla yeni



geliştirilmesi ile yapılmıştır. Bu zirai gelişim, "yeşil devrim "



varyetelerin



olarak adlandınlır.



Yüksek üretim, toprağın uygun gübrelerle gübrelenmesi ve yoğun makineli ziraat tekniklerinin kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Gübre üretimi ve makineli



tanm



teknikleri, fosil yakıt formundaki eneıjinin büyük bir kısmını tüketmektedir. Şöyle ki; ABD’de diğer endüstrilere oranla en fazla petrol tanm alanında kullanılır. Örneğin ABD’de 1970 yılında hasat edilen mısır için hektar başına harcanan petrol 750 litre iken, 1945'de bu değer 245 litre idi. Böylece mısır üretimi 1945-1970 yıllan arasında hektar başına % 240 artış göstermiştir. Bu artışı sağlamak için harcanan eneıji, yaklaşık olarak % 310 artmıştır. Yani yakıt eneıjisi için harcanan para başına, besin üretimi verimi azalmıştır. Petrolden türevlenen yakıtlann gittikçe pahalılanması ve dünya besin ihtiyacının gittikçe ciddi bir probleme dönüşmesinden dolayı hem ürün üretiminde kullanılan enerjinin etkinliğini ve hem de besin üretiminde güneş eneıjisini kullanan hububat bitkilerinin etkinliğini maksimize etmek çok önemlidir. Bu yollardan birkaç tanesi aşağıda açıklanacaktır:



Ürün Üretiminde Enerji Etkinliğini Arttırmak Eneıji etkinliği terimi, ürün verimini artırmada elle işlemenin makineli ziraattan daha verimli olduğunu ifade eder. Gelişmiş ülkeler için ziraat alanında elle işlemeye



BÖLÜM 11 FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



197



dönülmesi pratik olmayıp, yakıt eneıjisi sarfiyatını azaltmak için bazı şeyler yapılabilir: 1) yakıt fiyatlarının artması sonucu, elle işlemenin daha ekonomik olduğu durumlarda (makineli ziraat 4 kat daha pahalıdır) mümkünse elle işleme yapılması. 2) azot gübrelerinin yerine alternatiflerinin kullanılması. Örneğin çiftlik hayvan gübrelerinin kullanılması, azot fikse eden baklagillerin dönüşümlü olarak kullanılması ve genetik mühendisliği ile ürünlerdeki azot fikse edebilme kapasitesinin geliştirilmesi. 3) kara parçalarını çapalamaksızın ekmek sureti ile, işleme sırasındaki eneıji sarfiyatını azaltmak. 4) zararlılar için alternatif yollar aramak (biyolojik ve kültürel mücadele gibi).



Toplam Mahsul Üretiminin Arttırılması Toplam mahsul üretimi, zirai amaçlar için kullanılan karasal alanlann artması ile ya da fotosentezin tüm etkinliğini artırarak başarılır. Fotorespirasyonu inhibe ederek, fotosentez hızını artırma konusu tartışılmaktadır. Fotosentez hızını artırmaya yönelik çalışmalara ilave olarak, fotosentezin aktif olduğu bitkilerin yaygınlaştırılması ile üretimin artırılabileceği de ümit edilmektedir. Bilindiği gibi birçok bitki tan e vermeye başladığında fotosentez hızında azalma olur. Böylece fotosentez, tane üretiminin çok aktif olduğu periyotta en düşük seviyededir (Şekil OP 11.1). Araştırıcılar, fotosentez hızında



bu



erken



meydana



gelen



azalmayı



hangi



mekanizmaların



önlediğini



araştırmaktadırlar. Toplam mahsul üretimindeki artış, belirli bir alanda yıllık bir üründen daha fazla ürün alınması ile belirlenebilir. Bu yaklaşım, çok uzun büyüme sezonu olan Güney iklimlerinde uygulanabilir (özellikle yeniden gelişen ve hızlı büyüyen varyeteler kullanıldığı zaman). Çin'in bazı kesimlerinde tek bir büyüme sezonunda bir tarladan üç ürün (bir buğday ürününden sonra iki pirinç ürünü) elde edilebilir. Normal olarak ziraata uygun olmayan topraklarda büyüyebilen bitkiler geliştirmek, mahsul üretimini artırmak için iyi bir potansiyeldir. Kaliforniya ve İsrail'deki araştırmalar sonucu, okyanustaki tuzlu su ile sulanabilen, yüksek tuza sahip kıyılar üzerinde büyüyebilen, tuza toleranslı buğday ve arpa varyeteleri geliştirilmiştir. Eğer bu proje, zirai ve ekolojik olarak gerçekleştirilebilirse, zirai amaçlar için uygun olmayan milyonlarca hektar alan kullanılabilecektir. Artan dünya besin üretiminin diğer bir potansiyel kaynağı okyanuslardır. Okyanuslar, yeryüzünün % 71 'ini teşkil etmekte olup, bu sayı ziraat için uygun alanlann 5-10 katından çok daha fazla bir alanı kapsamaktadır. Uzun süreli katkıyı azaltmaksızın, denizden elde edilen balık miktannı artırmak mümkün değildir. Bununla birlikte alg ya da plankton formunda geleneksel olmayan besinler veya besin katkılannm önemli



BÖLÜM 11 FOTOSENTEZ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİ



199



Brezilya hükümeti, şeker kamışından türevlenen bir yakıt üretim programı başlatmıştır. 1980 yılında bu metodla 4 milyar litre alkol üretilmiştir. Söz konusu bu alkol, yakıt katkısı olarak benzine karıştırılarak kullanılmaktadır. Geniş karasal alanlara sahip olan Brezilya'da önemli bir tarım alanı, C4 bitkisi ve fotosentez etkinliği fazla olan şekerkamışı bitkisine aynlarak ve yıllık fotosentetik yakıt üretiminin büyük bir kısmını bu yolla karşılanır. Ürünlerden yakıt üretilmesiyle verim, ekonomik olarak daha yüksek olacaktır. Bunun için iklim önemli rol oynar. Örneğin şeker kamışı yetiştiriciliği için Brezilya'da uygun bir iklim mevcuttur. Bitkiler, dolaylı olarak kısa süreli bir gaz (metan) kaynağı olarak da hizmet görürler. Chicago'da son yıllarda fotosentetik ürünlerden oluşturulan tabii bir gaz (metan) kullanılmaktadır. Buradaki metan gazı, bitkisel materyalle beslenen sığırlardan toplanan gübreler üzerinde bakteriyel faaliyet (metan bakterileri) ile oluşturulmaktadır. Bu olay anaerobik ortamda ısı üretme olarak bilinir ve günde 0.5 milyon m3 gaz elde edilir. Toplanan gübrenin bu şekilde işlenmesi ile halkın tabii gaz tüketiminin yaklaşık % 5'i karşılanmaktadır. Sonuç olarak, fotosentezin moleküler makinesinin, güneş eneıjisinden değişik amaçlar için yararlanmada iyi bir model olabileceği ileri sürülmüştür. Hatırlanacağı gibi fotosentezin elektron taşınım safhasında, sudan NADP+'ye elektron hareketi devam eder ve bu olay sonucu proton (H+) birikimi olur. Eneıji kaynağı olarak bir elektrik devresindeki elektron akışını sürdürmek amacıyla benzer fotosentetik ışık yakalayıcı sistemlerin kullanılabilme çalışmaları araştırılmaktadır.



BÖLÜM 1 2



BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ VE KEMOSENTEZ Işığa bağımlı olarak büyüyen ve gelişen yani fototrofık bakteriler 4 familyada toplanır. Bunlar Chromatiaceae (Mor kükürt bakterileri), Chlorobiaceae (Yeşil kükürt bakterileri), Rhodospirillaceae (Mor kükürtsüz bakteriler) ve Chloroflexaceae (Yeşil kayan bakteriler) familyalarıdır. Yüksek bitkiler ve siyanobakteriler (Cyanobacteria) fotosentez sonucu oksijen açığa çıkarırken fototrofık bakteriler oksijen açığa çıkarmazlar. Ayrıca yüksek bitkiler ve siyanobakterilerde olduğu gibi su, hidrojen (dolayısıyla elektron) kaynağı olarak kullanılmayıp, bunun yerine uygun H+ vericileri kullanılır. Bu hidrojen vericileri yukarıda belirtilen fototrofık bakteri gruplarında birbirinden farklıdır. Örneğin Chromatiaceae ve Chlorobiaceae familyalarında H+ vericisi olarak indirgenmiş kükürt bileşikleri, Rhodospirillaceae'nin bazı türlerinde ise ( palustris ve R. suljîdophila) thiosülfat ve hidrojen sülfür kullanılır. M OR BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ Bu bakterilerde ışık, sitoplazmik membran çöküntüleri üzerinde yer alan bakteriyoklorofil, karotenoid ve bazı proteinlerden oluşan ışık yakalayıcı merkezler tarafından yakalanır. Bu ışık yakalayıcı merkezler Pgso ve Pg75'den oluşmaktadır. Işık yakalayıcı merkezler (yaklaşık 20-40 adet) bir reaksiyon merkezine bağlıdır. Reaksiyon merkezi P870 olarak adlandırılır (Şekil 12.1). Işık yakalayıcı merkezler tarafından absorbe edilen ışığın etkisiyle açığa çıkan elektronlar, Ps70'e aktarılır ve sırasıyla ubikinon-demir kompleksine, ubikinon, Sit b/c kompleksi ve Sit C2'ye taşınırlar. Burada siklik bir elektron taşınımı söz konusudur. Bu elektron taşınmamın amacı, organizma için bir pH



ROLÜM 12 BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ VE KEMOSENTEZ



201



gradiyenti oluşumunun uyarılmasıdır. Taşman her elektron başına, iki protonun hücrenin iç kısmından dış kısmına taşındığı tahmin edilmektedir.



Şekil 12.1. Mor bakterilerde siklik elektron transportu (Gottschalk’dan) Mor bakterilerdeki NADH, H2S (Chromatiaceae) ya da organik substratlardan (Rhodospirillaceae familyasında) oluşturulmaktadır. Ayrıca H2 de kullanılabilir. Hidrogenazın elektron akseptörü sitokrom c'dir. Süksinat ise elektronları ubikinon seviyesinde alır. Sit c tarafından kabul edilen elektronlar NAD+,yı indirgemek için kullanılır. Bu olayda ışığın direkt etkisi yoktur. YEŞİL BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ İki yeşil bakteri familyasında da fotosentetik aygıtın yapısal düzenlenmesi bazı farklılıklar gösterir. Bu bakterilerde ışık yakalayıcı merkezler, sitoplazmik membran çöküntüleri üzerinde değil, klorozom ya da klorobium vesikülleri olarak adlandırılan özel organellerde bulunur. Işık, bu pigment ihtiva eden organeller tarafından absorbe edilir ve sitoplazmik zarda bulunan reaksiyon merkezlerine aktarılır. Bunlardaki reaksiyon merkezi P840 olarak adlandırılır. Reaksiyon merkezinden sonra elektronlar Fe-S, ferrodoksin,



menakinon, Sit b+Fe-S proteini ile Sit caktarılır. Elektron yoluyla NAD+'ya da verilebilir. Bu durumda Sit csss'deki elektron eksikliği, bir dış elektron kaynağı ile ortadan kaldırılır (Şekil 12.2)



202



-600



Eo(mV)



-400



-200 J



0



+200H o



+400-



Şekil 12.2. Yeşil bakterilerde siklik elektron transportu (Gottschalk’dan) BAKTERİLERDE KARBON M ETABOLİZM ASI Siyanobakteriler, Rhodospirillaceae, Chromatiaceae ve Chloroflexaceae gruplarına ait türler karbon kaynağı olarak CO2 bulunan ortamlarda büyütüldükleri zaman, CO2 fıksasyonu için Calvin devrini kullanırlar. Bu devrin anahtar enzimleri olan fosforibulokinaz ve ribuloz 1,5 difosfat karboksilazın bu türlerde mevcut olduğu, fakat Chlorobiaceae familyası üyelerinde bulunmadığı belirlenmiştir. Bu familyada CC^'in asetil CoA'ya dönüşümü trikarboksilik asit devriyle yapılır (Şekil 12.3). Bu devir ilk olarak Arnon, Buchanan ve Evans tarafından formüle edildi ve Fuchs'un izotop denemeleriyle ispatlandı. Söz konusu devirde sonuç olarak 2 CO2 asetil CoA'ya indirgenir. Asetil CoA' da pirüvata ve daha sonra PEP sentetaz ve PEP karboksilaz enzimleri yardımıyla PEP'e ve oksaloasetata dönüştürülür.



KEMOSENTEZ Bitkiler fotosentez yolu ile organik madde yaparken, karbondioksit indirgenmesi için, güneşin fiziksel enerjisinden faydalanırlar. Buna karşılık karbondioksit indirgenmesi için, kimyasal oksidasyonlardan sağlanan enerjinin kullanılmasıyla organik madde yapımına kemosentez adı verilir.



203



BÖLÜM 12 BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ VE KEMOSENTEZ



2H



Malat



/■ ■ ¥> Fumarat 2H



«P Süksinat



ATP-4



Cis akonitat



C oA —4 V -A D P + P ı



h



Süksinil CoA



İzosıtrat /



l



2H



2H ka-ketoglutarat



Şekil 12.3. Chlorobiaceae’nin redüktif TCA devri Fotosentez olayı klorofil ihtiva eden bütün organizmalar tarafından yapılırken, kemosentez olayı nitrit-nitrat, demir, kükürt, hidrojen ve metan bakterileri tarafından yapılmaktadır. Kemosentez yapan mikroorganizmalar, yüksek bitkiler gibi inorganik ve diğer besin maddelerini yapılarına alırlar. Ancak hayati faaliyetleri için gerekli organik maddeleri, güneş enerjisinden değil, inorganik maddelerin oksidasyonu sonucu açığa çıkan kimyasal enerjiden faydalanarak yaparlar. Doğadaki bu mikroorganizmalar, kemosentez yetenekleri sayesinde yeryüzündeki bütün organizmaların metabolik olaylarının esası sayılan bazı elementlerin (CO2, N2, S gibi) devresel olarak tamamlanmasını ve böylece dolaşımlarını sağlarlar. Nitrit ve Nitrat Bakterilerinde Kemosentez Azot, bitki yaşamında son derece gerekli bir element olduğundan azot oksidasyonu kemosentez tiplerinin en önemlisidir. Bilindiği gibi toprakta bulunan azot, bitkisel ve hayvansal artıklardan oluşur ve topraktan alınabilmesi için nitrat (NO3) veya nitrit (NO2) halinde bulunması gerekir. Halbuki topraktaki azot amonyak (NH3) halindedir. Bu azottan bitkilerin



204



faydalanabilmesi için Nitrosomonas adı verilen bakteriler aşağıda gösterilen reaksiyonla önce nitriti oluşturur. 2NH3 + 3 0 2 -» 2HN02 + 2H20 + 158 kcal Sonra Nitrobacter adı verilen diğer kemosentetik bakteriler nitriti oksitleyerek, nitratı meydana getirir. Burada açığa çıkan enerji organik madde yapımında kullanılır. 2H N02 + 0 2 -> 2HN03 + 43 kcal Kükürt Bakterilerinde Kemosentez Bazı bakteriler sadece kükürt içeren örneğin H2S bulunan ortamlarda yaşarlar. Bu tür bakteriler kükürt bakterileri olarak isimlendirilir. Bunlara örnek olarak Beggiatoa ve Thiospirillum verilebilir. H20 bu organizmalar tarafından oksidasyona uğratılır yani, burada H2S bir oksijen akseptörü vazifesi görür. 2H2S + 0 2 2H20 + 2S +122 kcal 2S + 3 0 2 + 2H20 -> 2H2S 0 4 + 286 kcal Kükürtlü inorganik bileşiğin bu şekilde oksidasyonu ile açığa çıkan enerji, özel bir metabolik olayla karbondioksitin indirgenmesinde kullanılır. Böylece bazı kükürt bakterileri pigment ihtiva etmeyip, karanlıkta bile H2S'i oksidasyona uğratarak, kendi gıda maddelerini yaparlar. Bazı kükürt bakterileri bakteriyoklorofiİleri sayesinde fotosentez de yapabilirler. Bu tip kükürt bakterileri fotosentezi oksijensiz ortamlarda yaparlar ve yaşadıkları ortamda H2S'e ihtiyaç duyarlar. Çünkü normal fotosentezde elektron kaynağı olarak kullanılan su yerine bunlar H2S'i kullanırlar.



Demir Bakterilerinde Kemosentez Demir bakterileri arasında Leptothrix, Chenothrix, Cladothrix, Galionella ve Spirophyllum'u sayabiliriz. Bu bakteriler de diğer kemosentez yapanlar gibi, Fe taşıyan bileşikleri oksidasyona uğratırlar ve açığa çıkan enerjiyi kullarak karbondioksiti indirgerler. 4FeC 03 + 6 H20 + 0 2 ->4Fe(OH)3 + 4C 02 + 58 kcal Bunlara ilave olarak metan bakterileri de aynı yolla elde ettikleri enerjiyi karbondioksitin indirgenmesinde kullanırlar. Hidrojen Bakterilerinde Kemosentez Hidrojen okside eden bakterilerin büyüme ortamında tükettikleri H2, 0 2 ve C 0 2 aşağıdadır:



BÖLÜM 12 BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ VE KEMOSENTEZ



4H2 + 202



4H 2 0



2H2 + CO 2



(CH2O) + H2O



205



6H2 + 202 + C 0 2 -> (CH20 ) + 5H20



Böylece 4H2'nin suya oksidasyonu, CO2 ve H2'den hücresel materyalin (CH2O) sentezine izin veren yeterli ATP'yi meydana getirir. ATP sentezi, aerobik solunumda olduğu gibi kemiosmotik bir mekanizma ile meydana getirilir. Hidrojeni okside eden bakterilerin membranlarında sitokromlar, ubikinon ve menakinon bulunmuştur. Nocardia opaca, hidrojen tarafından NAD+'nm indirgenmesini katalizleyen çözünür bir hidrogenaz ihtiva eder. NADH solunum zinciri için H vericisi olarak görev yapar. Bütün diğer hidrojen oksitleyen bakteriler, solunum zincirine elektronların geçişini doğrudan destekleyen membran içerisinde yer alan bir hidrogenaz ihtiva ederler. Bu enzim NAD+ ile reaksiyona girmez. Çok az hidrojen oksitleyen bakteriler (örneğin Alcaligenes eutropus), membranda yer alan bu hidrogenaza ilave olarak N. da olduğu gibi NAD+,yı indirgeyen ve CCVin indirgenmesi için NADH'ın oluşumundan sorumlu olan çözünebilir bir hidrogenaz ihtiva eder (Şekil 12.4).



Şekil 12.4. A. eutrophus'da iki ayrı hidrogenazın fonksiyonu (Gottschalk’dan) Kemosentezde CO 2 Assimilasyonu Kemosentetik organizmalar C02'i indirgemek ve hücre materyaline dönüştürmek için inorganik maddelerin oksidasyonuyla üretilen indirgeyici güç ve ATP'yi kullanırlar. Bunlardaki karbondioksit fıksasyonu Calvin devri ile yapılır ve yüksek bitkiler ve alglerdeki Calvin devri ile aynıdır.



BÖLÜM 1 3



SOLUNUM VE FERMENTASYON Genel olarak solunum olayı bütün canlılarda meydana gelir. Solunum, karbohidratlar ve yağlar gibi kompleks moleküllerden karbondioksit ve enerji açığa çıkaran oksidatif bir safhadır. Solunum kompleks bir olay olup, burada meydana gelen reaksiyonlar bir çok safhaya ayrılabilir. Bu reaksiyonlardan çoğunun fonksiyonu (örneğin glikoliz, trikarboksilik asit devri, yağ asiti oksidasyonu gibi) yüksek enerjili indirgenmiş bileşikleri (NADH ve süksinat gibi) oluşturmaktır. Bu yüksek enerjili indirgeyiciler, mitokondrinin iç zarında yerleşen terminal elektron transport zinciri olarak bilinen bir redoks sistemiyle moleküler oksijen yardımıyla tekrar okside edilirler. Terminal elektron transport zinciri, negatif redoks potansiyeline sahip yüksek enerjili indirgeyicilerden (NADH için -0,32 V) bir elektron çiftini alır ve redoks sistemleri boyunca taşıyarak, pozitif redoks potansiyeline sahip olan oksijene (+ 0,82 V) aktarır. Bu taşınım sırasında açığa çıkarılan enerjinin bir kısmı ATP formuna dönüştürülür. Elektronların terminal elektron taşınım sisteminde taşınmasıyla fosforilasyon meydana geldiği için bu safha oksidatif fosforilasyon olarak da adlandırılır. Oksidatif fosforilasyon, kompleks moleküllerin oksidatif yıkımını tamamlayan solunumun son safhasıdır. Solunumun asıl amacı ATP oluşturmaktır. ATP, hücrelerde enerjinin geçerli olan şeklidir. Sentezlenen bu ATP, daha sonra bitki hücrelerindeki kimyasal sentezlerde enerji kaynağı olarak kullanılır. Bitkilerin çoğunda ATP oluşumu için tek yol solunum değildir. Daha önce ifade edildiği gibi fotosentezin elektron taşınım reaksiyonları esnasında da ATP oluşmaktadır.



BÖLÜM



207



13SOLUNUM VE FERMENTASYON



Burada sadece kaynaklar farklıdır. Fotosentezde kaynak ışık iken, solunumda kompleks organik moleküllerdir. Bitkilerde ATP-bağımlı reaksiyonlardan bazıları şunlardır: Amino asitlerden proteinlerin sentezlenmesi, yağ asiti ve gliserolden lipid ve yağ sentezi, çeşitli şekerlerden, hücre çeperi sentezi, küçük moleküllerin hücreye aktif olarak alınması ve salınması, glukoz ve fruktozdan sakkaroz sentezi, glukozdan nişasta sentezi gibi. Bütün bunlara ilave olarak gerçek solunuma benzeyen ve ATP oluşumu ile bağlantılı olmayan bazı solunum olayları da vardır. Bunlar fotorespirasyon, pentoz fosfat yolu, klororespirasyon ve mikrosomal elektron taşınımıdır. Yukarıda belirtildiği gibi çeşitli maddeler solunumda substrat olarak kullanılır, fakat hücrelerde daha çok karbohidratların yıkımı meydana geldiği için karbohidratların solunumu üzerinde durulur ve şu basit formülle gösterilir: C6 « 1 2 0 6 + 6 O2



6 CO2



+ 6 H2 O + 673 kcal



Bu reaksiyonda gösterilen enerjinin bir kısmı ATP'ye çevrilerek enerji kaynağı olarak kullanılırken, diğer kısmı ısı şeklinde ortama verilir. Genel anlamda solunum, aerobik ve anaerobik olmak üzere iki kısma ayrılır. Havanın oksijeni kullanılarak yapılan solunuma aerobik solunum, oksijen kullanılmadan yapılan solunuma da anaerobik solunum adı verilir. Bu



bölümde



sırasıyla,



karbohidratların



fosforilasyon, siyanit dayanıklı solunum metabolizması üzerinde durulacaktır.



ve



oksidasyonu, fermentasyon



oksidatif ile



lipid



KARBOHİDRATLARIN OKSİDASYONU Karbohidratların, yüksek enerjili indirgeyici bileşiklere ve karbondioksite kadar parçalanması iki safhada meydana gelir. Bunlardan birisi glikoliz, diğeri ise trikarboksilik asit devridir. GLİKOLİZ Glikoliz, ökaryotlar ve prokaryotlar dahil olmak üzere bütün canlılarda meydana gelen bir olaydır. Bu yol, üzerinde çalışan bilim adamlarından dolayı Embden-Meyerhof-Parnas yolu olarak da adlandırılır. Bu safha için ayrıca glikolisis terimi de kullanılabilir.



208



Glikoliz safhasında oksijene ihtiyaç yoktur. Bu olay sitoplazmada meydana gelir. Bir heksoz olan glukozun (6 C'lu) çeşitli reaksiyon kademelerinden geçerek, iki molekül pirüvata (3 C'lu) dönüşmesi ile son bulur (Şekil 13.1). Glukoz



ATP



Hckaokiıuz



V*ADF’



▼



Glukoz-6-fosfat Fosfoglukoiaomeraz T



Fruktoz-6-fosfet L a tp Fosfofmktokinaz ı



»ADR



Fruktoz-l,6-difosfet AldoUzT



I



4



Tîiozfosfat izomeraz



4



Dihidroksiaseton NADH-|1,3-difosfogliserat



Fosfogliserat kimz



MDP >ATP



3-fosfogliserat Fosfogliseromutaz ▼



2-fosfogliserat Emolas



Fosfoenolpirüvat ADP Piıüv.at kinaz



>ATP ▼



Piriıvat



Şekil 13.1. Glikoliz safhasının şematik izahı. Heksoz şekerler doğrudan doğruya glikoliz safhasına giremezler. Bunun için önce aktifleştirilmeleri gereklidir. Eğer glikoliz nişastadan başlarsa fosforilaz enziminin katalitik etkisiyle glukoz-1-fosfata (G-l-P) dönüşür. G-l-P, fosfoglukomutaz enziminin yardımıyla glukoz-6-fosfata (G-6-P) çevrilir.



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



209



Glikoliz glukozdan başlarsa, öncelikle glukoz heksokinaz yardımıyla G-6-P'a dönüştürülür. Oluşan bu heksoz fosfat, fosfoglukoizomeraz enziminin katalitik etkisiyle fruktoz-6-fosfatı oluşturur. F-6-P’ın daha sonraki etkileşmelere girebilmesi için yeniden enerji kazanması, yani aktifleşmesi gerekir. Böylece fosfofruktokinaz enziminin yardımıyla F-6-P ATP'den bir fosfat alarak F-1,6DP'ı oluşturur. Bu da aldolaz enziminin yardımıyla ikiye ayrılarak 1 molekül DHAP ve 1 molekül PGAL'i oluşturur. Daha sonra PGAL, 1,3-difosfogliserata dönüşür. Bu sırada serbest kalan hidrojenleri NAD+ alır ve NADH oluşur. Daha sonra difosfogliserat, fosfogliserat kinaz yardımı ile 3-fosfogliserata ve bu da fosfogliseromutaz etkisi ile 2-fosfogliserata dönüşür, 2-fosfogliserat ise PEP'e ve daha sonra da PA'ya çevrilir. Bu reaksiyonları katalizleyen enzimler sırasıyla enolaz ve pirüvat kinazdır (Şekil 13.1). Glikoliz olayı sonucu NADH'dan elde edilecek enerji hariç, net enerji kazancı, olayın nişastadan başlamasıyla 3ATP, glukozdan başlamasıyla 2 ATP'dir. Çünkü olayın nişastadan başlaması dummunda (nişasta fosforilaz yardımıyla doğrudan G-l-P'a parçalandığı için) sadece F-6-P'ın F-l,6-DP'a dönüştürülmesinde 1 ATP harcanmasına karşın, 4 ATP oluşmaktadır. Sonuç olarak net kazanç 3 ATP olmaktadır. Oysa glikoliz olayının glukozdan başlamasıyla ilave olarak 1 ATP glukozun fosforilasyonu için kullanılmakta, dolayısıyla net 2 ATP meydana gelmektedir. Böylece glikolizle, glukoz veya nişasta, 2 pirüvata parçalanarak, aynı zamanda 2 NADH ile 2 veya 3 ATP oluşur. TRİK ARBO KSİLİK ASİT DEVRİ (TCA DEVRİ) Solunumun bu safhasını Krebs adındaki bir bilim adamı bulduğu için Krebs devri olarak adlandırılır. Diğer taraftan bu devirde ilk oluşan bileşik sitrik asit olduğu için sitrik asit devri, sitrik asitin yapısında da 3 karboksil grubu olduğundan trikarboksilik asit devri (TCA) olarak da isimlendirilir. Glikoliz safhası sadece karbohidratlarla ilgili bir yol olmasına rağmen, TCA devri karbohidratlara ilave olarak yağ ve proteinler gibi bileşiklerin de katıldıkları bir yoldur (Şekil 13.2). Bu olay mitokondride meydana gelir. Glikolizde meydana getirilen pirüvat, ATP üretmek ve karbondioksite parçalanmak üzere aerobik koşullarda mitokondriye alınır. Burada pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi ile iki karbonlu asetil CoA'ya dönüştürülür. Asetil CoA, glikoliz ve TCA devirlerini



210



birbirlerine bağlamasından dolayı çok önemli bir bileşiktir. Bu reaksiyonda 1 mol karbondioksit ve 1 mol NADH da açığa çıkar. Asetil CoA, kondanse edici bir enzimin katalitik etkisiyle 4 karbonlu oksaloasetat (OAA) ile etkileşmeye girerek sitratı meydana getirir. Sitrattan akonitaz enzimi ile cis akonitat oluşur. Yine aynı enzim, cA-akonitata 1 mol su bağlayarak, izositratı oluşturur. İzositrat, izositrat dehidrogenaz etkisiyle bir mol NADH ve bir mol karbondioksit açığa çıkararak, 5 karbonlu a-ketoglutaratı meydana getirir. Bu bileşik, CoA.SH ilavesi ve a-ketoglutarat dehidrogenaz enzim kompleksi yardımıyla süksinil CoA'ya çevrilir. Yine burada 1 mol NADH ve karbondioksit açığa çıkar. Süksinil CoA, süksinat thiokinaz tarafından süksinata çevrilir ve açığa çıkan enerji ADP'ye aktarılır.



Şekil 13.2. Trikarboksilik asit devri Bitkilerde bulunan süksinat thiokinaz enzimi ATP'yi oluşturur (hayvanlarda aynı enzim öncelikle GTP oluşumunu sağlar). Bu reaksiyonla TCA devrinde ilk substrat seviyesindeki fosforilasyon oluşur. Süksinat, süksinat dehidrogenaz enzimiyle fumarata dönüştürülür.



TCA devrindeki bütün



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



211



reaksiyonlar mitokondri matriksinde meydana gelmesine rağmen bu enzim, mitokondrinin iç zarına yapışık olduğundan, mitokondrinin zarlarına yakın bir konumda oluşur. Aynı zamanda bu enzim, koenzimi olan FAD+ ’ye çok sıkı olarak bağlıdır ve reaksiyon sonucunda FAD+, FADF^’ye dönüşür. Fumarat, bir su girişiyle ve fumarat hidrataz katalizörlüğü ile malata çevrilir. Son alarak da malat, malat dehidrogenaz enzimi yardımıyla 1 mol NADH oluşturarak OAA'ya dönüştürülür. Böylece PA’dan sonra 3 karbondioksit açığa çıkarılarak, pirüvatla TCA devrine sokulan karbonlar harcanır. Aynı zamanda bir pirüvat başına 4 NADH, 1 FADH2ve 1 ATP de oluşturulur.



ELEKTRON TAŞINIM SİSTEMİ VE OKSİDATİF FOSFORİLASYON Glikoliz ve TCA safhalarında oksidasyonla açığa çıkan hidrojen ve elektronlar, NAD+ ve FAD+ gibi elektron ve proton (H+) taşıyıcıları tarafından alınırlar. Taşıdıkları elektron ve protonlar, çeşitli akseptörlerden oluşan ve esas bileşenini sitokromlar oluşturan bir sisteme aktarılırlar. Burada indirgenme ve yükseltgenme olaylarından oluşan bir redoks sistemi söz konusudur. Bu sistem elektron taşınım zinciri olarak adlandırılır. Canlı sistemde çok önemli görevi olan bu sitokrom zincirinde, dehidrojenasyonla açığa çıkan hidrojenleri alan akseptörler, daha sonra elektronlarla beraber hidrojenleri serbest duruma geçirdiklerinde, oksidatif enerji açığa çıkar. Söz konusu bu enerji ATP'ye çevrilerek, canlının hücresel işlevlerinin yürütülmesinde kullanılır. ETS, mitokondrinin iç zarında kristalar üzerinde yer alır ve aşağıdaki şekilde gösterilen akseptörlerden oluşur (Şekil 13.3). NADH'dan Başlayan ETS: Burada NADH, taşıdığı elektronları bir intemal flavoprotein NADH dehidrogenaza (FPint veya iç NADH dehidrogenaz) verir. Bu flavoprotein yapısındaki enzim, büyük bir molekül olup, mitokondrinin iç zarına gömülmüş durumdadır. Daha sonra elektronlar Fe-S merkezleri ihtiva eden proteinlerden geçerek, ubikinon (koenzim Q) molekülüne aktarılır. Ubikinondan elektronlar bir enzim sistemi tarafından alınır. Bu enzim sistemi bir flavoprotein, iki tip sitokrom b (sit b 557 ve 560), Fe-S proteini ve sitokrom c 549 dan oluşur. Buradan elektronlar sitokrom c 547 tarafından alınır (bu sitokrom iç mitokondri zarının dış yüzeyine yakındır) ve sırasıyla sitokrom a ve sitokrom a3 yardımıyla ve sitokrom oksidaz katalizörlüğü ile oksijene



212



aktarılarak su meydana gelir. Bu taşınım sonucu mitokondri iç ve dış zarları arasına toplam 6 H+ verilmiş olur (Şekil 13.3). SİT O P LA Z M A X XH.



D IŞ Z A R



[ADH



NAD



ZAR A R A SI



M A T R İK S



İÇ Z AR



FpintV rN A D H



> HADH ^ ) |Fp ext.



r J>]nad*-



Fe-S Fe-S



- N A I?



V *Y



Süksinat



Fp



Fp



■^Fumarat



Sıtb557 Sit b56Q C H ‘ Azid (inhibitör)



Sit c549 1_____ | Sit c547 1



/ .



Sit a



Sıt a3



[.



1/ 2 0'-2



T H2° Şekil 13.3 •Elektron taşınım sistemini oluşturan akseptörler (Goodwin ve Mercer) FADH2'den Başlayan ETS: Bilindiği gibi TCA devrinde süksinattan fumarat meydana gelirken, elektronlar zara yapışık olan, ve koenzim olarak FAD+ 'yi taşıyan süksinat dehidrogenaza verilir. Bu enzim ubikinona yakın bir pozisyonda yer alır ve elektronları ubikinona aktarır. Böylece bundan sonraki taşınım safhasında iki elektron mitokondrinin iç ve dış zarları arasına verilir (Şekil 13.3). Glikolizde



Üretilen



NADH'ın



ETS'ye



Aktarılması:



Bitki



mitokondrilerinde yukarıda belirtilen NADH dehidrogenazdan ayrı olarak extemal NADH dehidrogenaz (dış NADH dehidrogenaz) olarak adlandırılan bir enzim daha vardır. Bilindiği gibi NAD+ ve NADH molekülleri mitokondrinin dış zarından geçebildiği halde iç zarından geçemez. Hayvansal mitokondrilerde bu geçiş, mekikler (malat-aspartat ve gliserol fosfat mekikleri) tarafından sağlanır, bitkilerde ise benzer mekikler yoktur. îç mitokondri zarındaki bu geçişler dış NADH dehidrogenaz tarafından sağlanır (Şekil 13.4). Bu enzim tarafından NADH'dan alman elektronlar doğrudan ubikinona verilir ve elektronlar normal ETS’den taşınarak oksijene aktarılır. Burada da FADH2’ye benzer olarak mitokondri zarları arasına 4 H+ pompalanmış olur.



213



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



-0,32 V-



(Sitoplazma) HAD+



HAD+ (mitokondri matriksı



FPext



FPint



/



UQ^— FeS i



Süksinat



I



i



Sit b557



I



Sit b560



_L o ’Ö QJ



FeS Sit c 54 9 Sit c547



I



+0,82 V



Sit a Sit a o +



°2



Şekil 13.4. ETS'ye çeşitli yollarla katılan elektronlar ve katılma yolları ELEKTRON TAŞINIM ININ AYRINTILI M EKANİZM ASI TCA devrinde meydana gelen her bir NADH, iki elektronunu ve bir protonunu (H+) flavin mononükleotid (FMN) olarak adlandırılan bir başka taşıyıcıya verir. Bu safhada NADH yükseltgenir ya da NAD+ formu oluşur. Bir proton ve iki elektron kabul edebilen FMN, zarın iç kısmından bir proton alarak FMNffl^'ye indirgenir. FMN molekülü büyük bir protein molekülüne bağlanmış olarak mitokondrinin iç zarına gömülü durumdadır. Bu molekül membran kalınlığı ile eşit olarak zarın bir yüzeyinden diğerine uzanır. Bu mekanizmayla zarın iç yüzeyinden dış yüzeyine FMN tarafından iki hidrojen atomunun nasıl taşındığı henüz tam olarak açıklanmamıştır. Taşman bu atomlar orada iyonize olmakta ve protonlar halinde mitokondrinin zarları arasına bırakılmaktadır. Böylece ilk iki proton zarın iç kısmından dış kısmına doğru taşınmış olur. Bir hipoteze göre zardaki taşınım mekanizmasında protonlar membran içerisindeki flavin grubu tarafından serbest bırakılmakta ve protein molekülündeki bir kanal yardımıyla zarın dışına aktarıldığı savunulmaktadır. Bu iki protonun serbest bırakılmasıyla birlikte iki elektron da Fe-S ihtiva eden proteinlere geçer. FMNH2'den iki proton ve iki elektron ayrılınca, yükseltgenmiş şekli olan FMN'ye dönüşür. Böylece NADH tarafından tekrar indirgenebilecek bir forma dönüşür. FeS ihtiva eden proteinler FMN'den farklı olarak sadece elektron



214



taşıyabilirler, hidrojen iyonlarını ise taşıyamazlar. Elektron taşınım zincirinin bu bölümünde birbirinden farklı birkaç çeşit FeS proteini bulunur. Bu proteinler zarın dış kısmından iç kısmına doğru sıralanmışlardır. Böylece elektronları zarın iç kısmına doğru taşıyabilirler. Bu elektronlar daha sonra ETS’nin en karışık olan bölümüne girerler. Burada meydana gelen olaylar kemiosmotik teorinin bazı tahminlerinden ibarettir. FeS proteinlerine aktarılan iki elektron, ubikinon ya da koenzim Q olarak adlandırılan küçük bir moleküle aktarılır ve bu molekül genel olarak Q şeklinde kısaltılarak yazılır. Kemiosmotik teoride ubikinonla ilgili ileri sürülen bu devire Q devri adı verilir (Şekil 13.5). Ubikinon (Q) iki oksijen atomu ile halka şeklinde 3 mümkün oksidasyon durumuna sahip bir moleküldür. Tamamıyla yükseltgendiği zaman (bu durumda kinon formu oluşur) iki oksijen atomu çift bağlarla ana halkaya bağlanır. Oksijenlerden birisine ise bir hidrojen atomunun bağlanmasıyla semikinon formu (QH) meydana gelir. Tam olarak indirgenmiş formu ise hidrokinon (QH2) olarak adlandırılır. Hidrokinon formunda moleküldeki iki oksijen atomuna bağlanmış hidrojen atomları bulunmaktadır. İleri sürülen Q devrine göre FeS proteinleri iki ubikinon molekülünün her birine bir elektron verir. Ubikinon molekülleri ise iki molekül semikinonu (QH) oluşturmak için gerekli protonları iç ortamdan alır. Daha sonra meydana gelen semikinonlar, sitokrom b'den de birer elektron (bu elektronların kaynağı aşağıda belirtilmiştir) ve matriksten de bir proton alarak iki molekül hidrokinon oluşur. Ubikinon, zarın lipid matriksinde çözünebilir bir özelliktedir. Elektron ya da hidrojenler için bir kanal olarak görev yapan ve sabit olan diğer moleküllerden farklı olarak bu molekül zarın bir kenarından diğer kenarına hareket etme yeteneğine sahiptir. ETS'de diğer taşıyıcı moleküllere oranla ubikinon moleküllerinin 10 kat fazla bulunması bu hipotezi desteklemektedir. İleri sürülen Q devrinde 2 molekül hidrokinon zarın iç yüzeyinden dış yüzeyine geçerek matriksten 4 proton alır. Daha sonra her bir QH2 molekülü, iki sitokrom c'ye bir elektron vererek, mitokondri zarlarının arasına birer proton (toplam 2 proton) bırakır. Böylece zarlar arasına taşman toplam proton sayısı 4'e ulaşmış olur. Ubikinon molekülleri elektronlarını Sit c’ye aktardıkları için şimdi semikinon formuna geçmişlerdir. Daha sonra bu semikinonlar tamamıyla okside olarak Q devrini tamamlarlar. Burada herbir semikinon protonunu zarlar arasına, elektronunu da Sit b'lere verir. Böylece toplam olarak 6 proton



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



215



matriksten zarlar arasına geçmiş olur. Bu durumda elektronlardan iki tanesi Sit c'lerde, iki tanesi de Sit b'de bulunmaktadır. Bilindiği gibi sitokromlar hem grupları ihtiva eden proteinlerdir. Sitokrom b'lere aktarılan iki elektron membranın bir tarafından diğer tarafına aktarılarak Q devrine geri döndürülür. Diğer taraftan Sit c molekülleri tarafından tutulan elektronlar Sit a ve Sit a3'e aktarılır. Son olarak Sit 83, moleküler oksijen tarafından oksidasyona uğratılır. Buradaki söz konusu iki elektron bir oksijen atomuna verilir ve iki proton bir su molekülünü oluşturmak için mitokondri iç ortamından alınır (Şekil 13.5).



Şekil 13.5. Hayvansal mitokondrilerdeki ETS'de elektron taşınımmın ayrıntılı izahı ELEKTRON TAŞINIM I SONUCU ENERJİ SENTEZİ Oksidatif fosforilasyon, ATP sentezlemek için yağ ve karbohidrat gibi moleküllerin oksidasyonu ile açığa çıkan enerjiyi bağlar. Ökaryotik hücrelerde oksidatif fosforilasyon sadece mitokondride oluşur. Son yıllarda mitokondride meydana gelen bu olaylar, kemiosmotik teoriye göre açıklanmaktadır. Karbohidrat ve yağ gibi moleküllerden kaynaklanan elektron ve protonlar, hidrojen taşıyıcısı olan NADH molekülleri tarafından mitokondrial membranda yer alan enzim sistemlerine aktarılırlar. Bu taşınım sırasında membranın bir



216



tarafından diğer tarafına 3 kez geçen elektron çiftleri her defasında 2 protonu mitokondrinin iç ve dış zarları arasına taşırlar. Böylece elektron taşınmasıyla mitokondri iç zarı ile dış zarı arasına NADH'dan başlayarak 6 H+ atılmış olur. FADH2, ETS'ye daha sonraki bir basamakta girdiği için, toplam olarak 4 H+, sözkonusu zarlar arasına atılır. Bunun sonucunda, membran içerisinde geriye doğru protonları zorlama eğiliminde olan bir proton konsantrasyonu ve elektrik potansiyeli gradienti meydana gelir. Bu gradient enerjisi ATP sentezini sağlamaktadır. Bunun için Fl-Fo kompleksinden (ATPaz) geçen iki proton için ADP ve P'dan bir ATP molekülü oluşmaktadır. Sonuç olarak mitokondride meydana gelen NADH'ların ETS'ye girmesiyle 3ATP, sitoplazmada oluşan NADH'ların girmesiyle 2 ATP ve FADH2fnin girmesiyle de 2 ATP sentezlenir (Şekil 13.6). İzole edilen mitokondrilerde içsel NADH’dan türevlenen elektronların ADP:0 oranları (oksijene taşınan 2 elektron başına sentezlenen ATP sayısı) 2,4-2,7 olarak bulunmuştur. Buradaki hesaplamalarda bu oran yaklaşık olarak 3 alınmıştır. Süksinattan oluşan FADH2 ve gikolizden gelen NADH için bu oran 1,6-1,8 olarak ölçülmüştür. Bu oran da yaklaşık olarak 2 alınmıştır. + + + + + + + + + Elektrik potansiyeli Yüksek proton konsantrasyonu



Fosforilasyon



Şekil 13.6. ETS'de elektron taşmımı sonucunda enerji sentezlenmesi



SİYANİTE DAYANIKLI SOLUNUM Bitki mitokondrilerinde, hayvansal mitokondrilerden farklı olarak NADH ve süksinata benzer substratlardan alınan elektronlar iki farklı yol izlerler. Bunlardan birisi yukarıda izah edilen normal ETS'dir. Normal ETS'nin en sonundaki sitokrom oksidaz enzimi siyanid tarafından inhibe edilir. İkinci yol ise siyanit tarafından inhibe edilemez. Böylece siyanit dayanıklı elektron taşınım zinciri olarak adlandırılır. Dolayısıyla bu zinciri oluşturan katabolik



BÖL Ü M 13 SOL UNUM VE FERMENTASYON



217



safhaların toplamına da siyanite dayanıklı solunum (Siyanit Resistant Solunum, Alternatif Solunum) adı verilir. Bu iki taşınım zinciri birbirinden tamamıyla farklı değildir. İç ve dış NADH dehidrogenazlar ve süksinat dehidrogenaz tarafından bu taşınım zincirine giren elektronlar ubikinona geçerler. Ubikinondan sonra bu iki taşınım zinciri birbirinden ayrılır. Siyanit dayanıklı taşımında elektronlar, ubikinondan sonra başka bir flavoproteine ve oradan da siyanite dayanıklı terminal oksidaz ile oksijene kadar aktarılır. Bu enzim de salisilik hidroksiksamat (SHAM) tarafından inhibe edilir (Şekil 13.7). o Siyanit dayanıklı solunumda yukarıdaki şemadan da görülebileceği gibi, sadece 1 ATP sentezlenmekte, diğer enerji ise ısı şeklinde açığa çıkmaktadır. Bu açığa çıkan ısı enerjisi, normal solunumdan açığa çıkan enerjiden 4,5 kat daha fazladır.



Şekil 13.7. Siyanit dayanıklı solunumun şeması SİYANİT DAYANIKLI SOLUNUM UN ÖNEM İ Bu solunum yolunun ayrıntıları ve fizyolojik önemi henüz tam olarak bilinmemektedir. Bununla birlikte bu konuda bazı tahminler yapılmıştır. Hasar gördüğü zaman siyanoglikozitlerden HCN meydana getiren bazı bitkilerde fonksiyonel olan bir yol olabileceği düşünülmüştür. Fakat siyanit dayanıklı yolun aktif olduğu bitkilerin çoğunda siyanogenik glikozitlere rastlanılmamıştır. Diğer taraftan bu yolun meyvelerde klimakterik safhada (bu safhada bazı bitkilerde meyve olgunlaşmasının bir safhasında solunum olayında aşırı bir artış



218



meydana gelir) meydana geldiği belirlenmiştir. Nitekim klimakterik safhanın ve siyanit dayanıklı yolun etilen tarafından uyarılması da bunu desteklemektedir. Ayrıca bazı tohumlarda çimlenme esnasında özellikle suyun alınım safhasında siyanit dayanıklı solunum artar. Siyanit dayanıklı yolun en iyi anlaşılan rolü, termojenik dokulardaki (ısı oluşturan dokular) ısı oluşumudur. Bilindiği gibi termojenik ısı üretimi, belirli çiçeklerde ve çiçek durumlarında görülür. Örneğin su zambağı, Victoria (nilüfer), yılan yastığı maculatum), Philodendron selloum (bir çeşit deve tabanı), Sauromatum ve Symlocarpus (yılanyastığıgillerden pis kokulu bir bitki) gibi. Arum ve Sauromatum 'un çiçek durumunda, erkek ve dişi çiçeklere ilave olarak, koku ve ısı üreten çıkıntılar (apendiks) ve osmofor olarak bilinen steril (verimsiz) parmağa benzer organlar farklılaşmıştır. Çiçeklerde oluşan ısı, çiçek durumlarında odoriferous (güzel kokulu) bileşiklerin oluşumunu sağlar. Bunlar genellikle aminler ve indoller olup, böcekler tarafından sağlanan tozlaşmayı kolaylaştırırlar. Bitkilerin çiçek durumları tarafından üretilen ısı miktarı çok önemlidir. Örneğin Arum italicum 'un yukarıda apendiks olarak ifade edilen çıkıntılarındaki sıcaklık, hava sıcaklığı 15 °C olduğu zaman 51 °C'ye kadar yükselebilir. Ayrıca Symlocarpus spadikslerindeki sıcaklık, hava sıcaklığı 5 °C olduğu zaman, 30 °C'ye kadar ulaşabilir.



KARBOHİDRATLARIN OKSİDASYONU SONUCU ENERJİ BİLANÇOSU TCA devrinde pirüvattan itibaren 4 NADH ve 1 FADH2 meydana geldiğinden; NADH 'den 4 x 3 ATP= 12 ATP, FADH2 'den 1x2 ATP= 2 ATP, ayrıca süksinil CoA'dan süksinat meydana gelirken 1 ATP oluştuğundan toplam 15 ATP meydana gelmiş olur. Bu bir pirüvattan oluşan ATP miktarı olup, iki ile çarpılması gerekir (çünkü 1 glukoz molekülünden



2 pirüvat



meydana gelir). Buna göre TCA devrindeki toplam ATP kazancı net 30 ATP'dir. Ayrıca glikoliz safhasında da 2 NADH meydana geldiği daha önce belirtilmiş idi. Sitoplazmadan mitokondriye alman herbir NADH başına 2 ATP sentezlendiğinden toplam olarak 4 ATP meydana gelir. Daha önce oksidatif fosforilasyon dışında net olarak meydana gelen ATP sayısı da iki olduğundan



220



Bunun nedeni tam olarak açıklanmamasına rağmen, elektron taşımmı ve ATP oluşumu için zorunludur. Kısaca ATP oluşumu meydana gelmedikçe, elektron transportu durur. Böylece eğer ortamda çok az kullanılabilir ADP mevcutsa, ATP sentezi çok yavaş olarak meydana gelir ve elektron taşımmı oldukça yavaşlar. Eğer ADP ortamda fazla ise, çok miktarda ATP sentezlenir ve elektron taşımmı hızla devam eder. Bu ilişki, ADP seviyesinin düşük olmasıyla, solunumun yavaşladığını gösterir. Hücrelerde bu kontrol sistemi çok aktiftir. Bilindiği gibi hücreler, madde sentezleme ve büyüme olaylarında enerji kaynağı olarak ATP'yi kullanırlar. Bunun sonucu olarak ADP serbest duruma geçer ve yeniden ATP sentezlemek için elektron taşımmı hızla devam eder. Bu şekilde hızlı ATP tüketimi, ATP üretiminin hızlanmasını sağlar. Oksijen, solunumdaki son akseptör olmasından dolayı; oksijen tüketim hızı solunum hızını ölçmek için kullanılabilir. Diğer taraftan solunumun hızı, şekerlerin tüketim hızı ya da CO2 üretim hızıyla da ölçülebilir. Atmosferik oksijen seviyesi % 21 civarında olmasından dolayı, oksijen kullanımı solunum olayında sınırlayıcı bir faktör değildir. Bazı yumrulu bitki organlarında (örneğin patates ve elma) istisnai durum olarak, iç kısımdaki hücrelerde oksijen difüzyonu yeterli olmayıp, oksijen eksikliği ortaya çıkar. Bunun sonucu meydana gelen olaylar daha sonra izah edilecektir. İzole edilen mitokondrilerde solunumun, oksijen konsantrasyonu %1’in altına düşünceye kadar inhibe edilmediği bulunmuştur.



ATP OLUŞTURMAYAN SOLUNUMA BENZER OLAYLAR Solunuma benzeyen ve ATP oluşumu ile bağlantılı olmayan bazı solunum olaylarının olduğu daha önce belirtilmişti. Bunlar fotorespirasyon, pentoz fosfat yolu, klororespirasyon ve mikrosomal elektron taşınımıdır. Burada bu yollardan pentoz fosfat yolu üzerinde durulacaktır.



OKSİDATİF PENTOZ FOSFAT YOLU Glikoliz, heksozlar için ana katabolik yol olmasına rağmen, bazı bitki hücreleri glikolize ilave olarak pentoz fosfat yolu ya da heksoz monofosfat yan yolunu kullanmaktadırlar. İkinci isim daha az kullanılmakta olup, aslında daha iyi bir isimlendirmedir. Şekilden de (Şekil 13.9) görülebileceği gibi bu yol glikolizde de mevcut olan G-6-P ile başlar, F-6-P ve 3PGAL’e dönüşür. Pentoz



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



221



fosfat yolunda bu reaksiyonu katalizleyen enzimler glikolizde olduğu gibi bitki hücrelerinin sitoplazmasında mevcuttur. Oksidatif pentoz fosfat yolu, iki farklı faza bölünebilir. Faz 1; G-6-P’dan Ru-5-P’a fizyolojik olarak dönüşümsüz iken, Faz 2, Ru-5-P’dan F-6-P ve 3PGAL’e dönüşümlüdür. Faz 1; G-6-P’m D-glukano-5-lakton-6-P’a oksidasyonu ile başlar. Bu reaksiyon, oksidant olarak NADP+’yı kullanan glukoz-6-fosfat dehidrogenaz tarafından katalizlenir. 8-lakton daha sonra 6-fosfoglukano laktonaz yardımıyla hidroliz edilir ve oksidant olarak NADP+ kullanan 6-fosfoglukonat dehidrogenaz yardımıyla Ru-5-P’a oksidatif olarak dekarboksile edilir. Böylece Faz 1’de her G-6-P molekülü başına iki molekül NADPH meydana gelir.



Şekil 13.9. Oksidatif pentoz fosfat yolu



Faz 2’de Ru-5-P, sırasıyla ribozfosfat izomeraz ve ribuloz fosfat-3epimeraz yardımıyla R-5-P ve Xu-5-P’a izomerize olur. R-5-P ve Xu-5-P daha sonra transketolazın katalizörlüğü ile 3PGAL ve Se-7-P meydana getirmek için reaksiyona girer. Bu bileşikler transaldolazm mevcudiyetinde F-6-P ve E-4-P’ı oluşturmak için birlikte reaksiyona girerler. Daha sonra E-4-P ve Xu-5-P



222



transketolaz yardımıyla glikoliz yolunda kullanılan F-6-P ve 3PGAL oluşturmak için reaksiyona girebilir. Oksidatif pentoz fosfat yolu bitkilerde 3 esas fonksiyona sahiptir. Birincisi; oluşan NADPH, fotosentez yardımıyla NADPH oluşturulmadığı zaman olayların biyosentetik safhalarında indirgeyici olarak kullanılır. Böylece bu yol fotosentetik olmayan dokularda (karanlıkta, farklılaşmamış dokularda, çimlenen tohumlarda) özellikle önemlidir. İkinci olarak, meydana gelen R-5-P, nukleotidler ve nükleik asitlerin biyosentezi için gereklidir. Üçüncü olarak, oluşan E-4-P, aromatik halkalı bileşiklerin öncül maddesi olan şikimik asit sentezi için gereklidir. Şikimik asit yolu bitki fenoliklerinin (lignin öncüsü, flavonoidler, fıtoaleksinler ve aromatik amino asitler) sentezlenmesinde önemli bir yoldur (bak Bölüm 20). Oksidatif pentoz fosfat yolundaki Faz 2’nin dönüşümlüğü, özellikle önemlidir. Çünkü: a) NADPH oluşumu esnasında üretilen aşırı pentoz fosfatın glikolize kaydırılmasına imkan verir b) NADPH’ı meydana getirmeksizin 3PGAL ve F-6-P’ı oluşturmak için R-5-P ve E-4-P’ın gerekliliğine izin verir. Oksidatif pentoz fosfat yolu indirgenmiş piridin nükleotid (NADPH) oluşturulmasıyla, oksidatif fosforilasyon için substrat oluşturmada ilk olay olarak görülür. Bununla birlikte, NADPH bu amaçla kullanılmamakta, daha çok biyosentetik reaksiyonlarda indirgeyici olarak kullanılmaktadır.



SOLUNUM KATSAYISI Solunumda oluşan karbondioksitin tüketilen oksijene oranı (CO2/O2) solunum katsayısı (Sk) olarak ifade edilir. Solunumda substrat olarak karbohidratlar kullanılırsa bu katsayı l'e eşittir. Yani karbohidrat kullanıldığında dışarı verilen her karbondioksit molekülü için 1 oksijen molekülü kullanılmış olur. C6H ı20 6 + 602 -> 6C 02 + 6H20 Sk= 6C 02/6 0 2 = 1 Solunum substratı olarak organik asitler gibi yüksek düzeyde okside bileşiklerin solunum katsayıları genellikle l'den büyüktür. Çünkü organik asitleri oksitleyebilmek için daha az oksijene ihtiyaç vardır. C4H40 8 + 0 2 4C 02 + 2H20 Sk = 4 / 1 = 4 Solunumda yağlar ve proteinler gibi oksijence fakir ve indirgenmiş bileşiklerin substrat olarak kullanılması halinde ise solunum katsayısı l'den küçüktür. Çünkü burada çok miktarda oksijene ihtiyaç duyulur.



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



223



C ı8H3402 (°leikasit>+ 25,5 0 2 -» 18C02 + 17H20 Sk= 18/25,5 = 0,71 Görüldüğü gibi solunum yapan bitkisel bir dokuda, solunum katsayısı ölçülerek, o dokunun solunum substratı olarak kullanılan organik maddenin niteliği konusunda genel bir değerlendirme yapılabilir.



SOLUNUMU ETKİLEYEN FAKTÖRLER Sıcaklık Genellikle 5-25 °C arasında normal seyir takip eden bitki solunumun, sıcaklığın 30-35 °C yükselmesi ile artış gösterdiği gözlenmiştir. Sıcaklığın daha fazla artırılması sonucu solunum hızı da azalır. Çünkü artan sıcaklık solunum olayında rol alan enzimleri inaktive eder. Sıcaklığın 0 °C'ye doğru azalması da solunum hızını azaltır. Bununla beraber bazı bitkiler -20 °C'de solunum yapabilirler. Sıcaklık, bitkisel dokulardaki nişasta-şeker dengesini değiştirerek de solunumu etkileyebilir. Örneğin patates yumrularında düşük sıcaklık nişastanın kısmen şekerlere dönüşmesine yol açar ve bu nedenle solunum hızı artar. Oksijen Konsantrasyonu Oksijenin solunuma etkisi bitki türlerine, hatta aynı bitkinin farklı dokularına göre değişir. Genellikle artan oksijen miktarı ETS reaksiyonlarını hızlandırdığından diğer solunum kademelerinin de hızlanmasına neden olur. Oksijen miktarının % 5'den fazla olması sonucu aerobik solunumunda hızlanma, oksijen miktarının % 5'den çok az olduğu durumlarda ise anaerobik solunumda artış görülür. Daha önce vurgulandığı gibi oksijen konsantrasyonu % l'in altına düşmediği sürece, izole edilen mitokondrilerdeki solunumun inhibe olmadığı bulunmuştur. Oksijenin solunuma etkisi dokuların yapılarına bağlı olarak normal havanın hücrelere giriş ve çıkış hızına göre değişir. Örneğin patates yumrularının dış kısımları sert bir mantar dokusu ile kaplandığından oksijenin solunuma etkisi çok azalır. Karbondioksitin Etkisi Havadaki karbondioksitin solunuma olan etkisi de doku çeşidine, dokunun yaşma ve diğer bazı çevre şartlarına bağlı olarak değişmektedir. Genellikle havadaki karbondioksit miktarının fazlalığı, oksijenin azalmasına sebep olacağı için, solunumu engeller. Karbondioksitin solunum üzerindeki etkisi, stoma hücrelerinin kapanmasına neden olarak, gaz alış-verişini



224



engellemekle olduğu belirtilmiştir. Diğer taraftan bazı bitkilerde karbondioksit miktarının artması ile solunum hızlanır. Örneğin patates yumrularında başlangıçta % 20 oranında oksijen bulunduğu bir ortamda karbondioksit miktarının artmasıyla önce solunum azalmış, zamanın uzamasıyla artmıştır. Buna neden olarak, yüksek karbondioksit miktarının patates yumrularındaki fosforilaz enziminin etkinliğini artırarak, nişastanın suda çözünür şekerlere dönüşümünü hızlandırdığı ve böylece solunumun arttığı gösterilmiştir. Işık Bitkinin yeşil kısımlarındaki solunum bazen ışık tarafından etkilenebilir. Bazı araştırıcılar, fotosentez sonucu şeker düzeyinin yükselmesi ya da kloroplastlarda glikolik asit oluşumunun artması nedeniyle ışığın, solunumu artırdığını kaydetmişlerdir. Ayrıca bitki tarafından absorbe edilen ışık enerjisi, bitkide bir ölçüde sıcaklık artışına yol açmakta, dolaylı olarak solunum hızını da artırmaktadır. Son araştırmalar bitkilerin, ışıkta (özellikle yeşil kısımlarının) solunum hızlarının çok düşük olduğunu hatta bazen solunumu durduğunu, gerekli enerjinin aktif olarak meydana gelen elektron taşınım reaksiyonlarından sağlandığını göstermiştir. Diğer taraftan, ışıkta bitkilerin fotorespirasyon adı verilen bir tür solunum yaptıkları belirlenmiştir. Burada ışık enerjisi, glukoz biyosentezi, yani karbondioksit indirgenmesi yerine oksijen indirgenmesinde kullanılmaktadır. Yaralanma Yapılan araştırmalar, yaralanmış bitki hücre veya dokularında solunumun çok aktif olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni yaralanan bölgelerde hücre bölünme faaliyetinin hızlı olması ve yaralanan dokunun zarar gören kısmını kapatması için enzim salgılaması ve bu enzimlerin etkisiyle suda çözünür karbohidratların artmasıdır. Bu artış da solunum hızının yükselmesine neden olur. Ayrıca patojen enfeksiyonu olan bölgelerde solunum hızı önemli derecede artar. M ekanik Etki Bitki yapraklarının el ile hafifçe bükülmesi veya ovuşturulması ile solunum hızının arttığı denemelerle gösterilmiştir. Belirli bir zaman sonunda ise solunumun normale döndüğü kaydedilmiştir. Bu olayın nasıl oluştuğu tam olarak bilinmemektedir. Ancak ovuşturma ile bitki büyüme hormonlarından IAA’nın etkinleştiği ve bu hormonun TCA reaksiyonlarıyla ilgili enzimleri aktif duruma sokarak, dolaylı yönden solunumu hızlandırdığı düşünülmektedir.



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



225



Nem ve Suyun Etkisi Kuru tohumların solunum hızı çok düşük olduğu halde, tohumun su alıp şişmesi ile birlikte çimlenmeye ilişkin biyokimyasal olayların başlaması sonucu, solunumda büyük bir artış görülür. Diğer taraftan uzun bir süre su eksikliği olan bitkilerde solunum hızı azalır. Bitkilere su verildiğinde bu etki ortadan kalkar. Kimyasal Bileşiklerin Etkisi Siyanit, azid, CO, florit, iyodoasetat, floroasetat ve malonat gibi bileşikler solunumu azaltır hatta tamamıyla durdururlar. Bunlar çoğunlukla bazı enzimleri inaktive ederek etkili olurlar. Ayrıca kloroform ve eter gibi maddelerin düşük konsantrasyonlarda solunumu artırdığı, yüksek konsantrasyonlarda ise azalttığı bulunmuştur. Bitkinin Tipi ve Yaşı Genellikle bakteriler ve mantarlar, yüksek bitkilere oranla daha hızlı solunum yaparlar. Çünkü bu tür ilkel organizmaların tüm hücreleri etkin metabolik faaliyet gösterirler. Aynı bitki üzerinde farklı organlarda bile solunum hızı değişir. Yeşil yapraklarda gerekli enerjinin çoğunluğu fotosentezden sağlandığı için özellikle gündüzleri solunum çok düşüktür. Diğer taraftan kök, gövde ve tomurcuklarda yer alan meristematik hücrelerde solunum çok hızlı olarak cereyan eder. Bitkinin yaşı da solunumu etkiler. Genç bitkilerde solunum daha hızlı olmakla birlikte bitki yaşlandıkça solunum da yavaşlamaya başlar. Bitkilerde meyve olgunlaşması sırasında solunumda önemli değişiklikler belirir. Genellikle meyve henüz olgunlaşmadan, hücre bölünmelerinin oluştuğu dönemde solunum çok hızlıdır. Olgunlaşma ilerledikçe solunum hızı da yavaşlar. Bununla birlikte bazı türlerde (elma, armut ve muz gibi), meyve olgunlaşmasının ileri aşamalarında (klimakterik safhada) azalan solunum hızının aniden arttığı görülür. Bu olayın ayrıntıları tam olarak bilinmemektedir. Hücrede Karbohidrat Miktarı Bitkilerde solunumda substrat olarak daha çok karbohidratlar kullanıldığı için, karbohidrat miktarının düşük olması solunum olayının hızını azaltır.



LİPİD METABOLİZMASI Nişasta ve sakkaroz bitkilerde enerji üretimi için tek substrat değildir. Lipidler de enerji üretimi için önemli bir kaynaktır. Bu nedenle pamuk, fıstık, ayçiçeği ve fasulye gibi zirai olarak önemli türleri ihtiva eden bir çok tohumda



226



indirgenmiş karbonun önemli depo formları katı ve sıvı yağlardır. Sıvı yağlar küçük tohumlara sahip yabani bitkilerin en büyük depo maddeleridir. Ayrıca zeytin ve avakado gibi bazı meyveler de katı ve sıvı yağları önemli miktarlarda depolarlar. Lipidler sınıfına ait sıvı ve katı yağlar suda çözünmeyen, ancak organik çözücülerde çözünen, yapısal olarak farklı hidrofobik bileşiklerdir. Yağlar karbohidratlardan çok daha fazla indirgenmiş karbon formlarını ihtiva ederler. Öyle ki bir gram sıvı ve katı yağın tam oksidasyonu (40 kJ veya 9,3 kcal) bir gram nişastanın oksidasyonundan (15,9 kJ veya 3,79 kcal) daha fazla ATP üretir. Bununla birlikte sıvı ve katı yağlar ve membran fosfolipidleri gibi moleküllerin biyosentezi için büyük bir metabolik enerjiye ihtiyaç duyulur. Diğer lipid grupları ise bitki yapı ve fonksiyonu için önemlidirler. Örneğin 5C’lu izopiren birimlerinin birleşmesi ile oluşan terpenoidler (izoprenoidler) ve bitki dokularından su kaybını engelleyen kutikulanın yapısını oluşturan mumlar lipid yapısındadır (bak Bölüm 20). Sıvı ve Katı Y ağlar Trigliseritlerdir ve Sfereozomlarda Depolanırlar Sıvı ve katı yağlar, gliserolün 3 hidroksil grubuna ester bağı ile bağlanan yağ asidi moleküllerinden oluşan trigliserit veya triaçilgliserit formunda bulunurlar. Bitkilerdeki yağ asitleri, birçok karbon atomuna sahip genellikle düz zincirli karboksilik asitlerdir. Karbon zincir uzunluğu 12 C’dan, 20 C’a kadar değişebilir. Fakat çoğunlukla bitkilerde bulunan yağ asitleri 16-18 C’dan oluşur. Sıvı yağlar oda sıcaklığında sıvı olup, yağ asitlerinde birçok doymamış bağ bulundururlar. Katı yağlar ise isminden de anlaşılacağı gibi katı olup, yüksek oranda doymuş yağ asitlerini ihtiva ederler. Bitki lipidlerindeki yağ asitlerinin % bileşimi türlere göre değişir. Örneğin fıstık sıvı yağı % 9 palmitat, % 59 oleat, % 21 linoleik asit; pamuk sıvı yağı %20 palmitat, % 30 oleat ve % 45 linoleik asit ihtiva eder. Çoğu tohumda triaçilgliseroller sferozom (oleozom veya lipid cisimleri olarak da adlandırılır) olarak bilinen organellerde ya endosperm veya kotiledon sitoplazmasında depolanır. Sferozomlar sulu sitoplazmadan trigliseritleri ayıran bir zarla çevrilidirler. Trigliserit sentezi, endoplazmik retikulumdaki (ER) enzimler tarafından tamamlanır ve meydana gelen katı yağlar ER ikili



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE



227



membranımn iki yüzeyi arasında birikir. Yağlar biriktikçe bu ikili yapı ayrılarak şişer ve sonuç olarak ER’den olgun bir sferozom tomurcuğu meydana gelir. Triaçilgliserol Sentezi Triaçilgliserol sentezi için çok fazla enerjiye ihtiyaç duyulur ve bu olay birkaç hücre organelinde meydana gelir. Bitkilerdeki biyokimyasal yol, hayvanlardaki yola çok benzerdir. Doymuş yağ asitleri, asetil CoA’dan türevlenen iki karbonlu birimlerinin tekrarlanan ilavesiyle sentezlenir. Bununla birlikte asetil CoA, ilk olarak iki karbon vericisi olarak hizmet gören malonil CoA’ya karboksile edilir. Bu reaksiyon serileri, asetil CoA karboksilaz, yağ açil sentetaz kompleksini ihtiva eden birkaç enzimle katalizlenir. Bu biyosentetik olayla uzayan yağ asidi, bir açil taşıyıcı protein (ACP) olarak bilinen düşük molekül ağırlıklı bir proteine bağlanır. Her bir iki karbonlu birimin ilavesi için 1 ATP ve 2 NADPH gereklidir. Hayvanlarda yağ asidi biyosentezi sitoplazmada meydana gelir. Bitkilerde ise yeşil olmayan dokularda proplastidlerde, yapraklarda ise kloroplastlarda gerçekleşir. Yukarıda anlatılan reaksiyonların ilk ürünü 16 C’lu doymuş palmitattır. İki karbon uzatılmak suretiyle stearat (18:0), stearat bozularak oleata (18:1) dönüşür. Yağ asitlerinin daha sonraki modifikasyonları, yağ asitlerinin bir yağ açil CoA ara ürünü olarak plastidlerden ER’ye transfer edilmesiyle ER’de meydana gelir. Triaçilgliserollerin gliserol kısmı, sitoplazmada dihidroksi aseton fosfatın gliserol-3-fosfata indirgenmesinden türevlenir. Üç yağ açil CoA molekülü, ER membranındaki enzimler tarafından ester bağı ile gliserole bağlanır ve sonuç olarak büyüyen sferozomlardaki katı yağların oluşumunu sağlar. Fosfolipid biyosentezi ise ER ve mitokondriyal membranlarda meydana gelir. Çimlenen Tohumlarda Lipidler Karbohidratlara Dönüşür Yağ depolayan tohumlarda çimlenme sırasında lipidler, karbohidratlara dönüşür. Endosperminde katı yağ depolayan bitki tohumlarının çimlenmesi sırasında, bu yağların Edelerin köklerine ve dokularına taşınması mümkün değildir. Bu şekilde depolanan lipidler, daha mobil bir karbon formuna genellikle sakkaroza dönüştürülür.



228



Sıvı yağ bulunan tohumlarda lipidlerin şekerlere dönüştürülmesi olayı, çimlenme ile başlatılır. Sferozomlarda depolanan trigliseritler öncelikle serbest yağ asitlerine hidroliz olur. Bundan sonraki reaksiyonlar, glioksizom olarak adlandırılan bir mikrobadi çeşidinde meydana gelir. Glioksizomlar tek bir membranla kuşatılmıştır ve tohumların sıvı yağ bakımından zengin dokularında bulunurlar. Asetil CoA, glioksilat devri ile süksinatı oluşturmak için glioksizomlarda metabolize edilir ve glioksizomlardan mitokondriye taşınır ve orada okzaloasetata dönüştürülür. Bu olay, glukoneogenesis yoluyla sitoplazmada okzaloasetatın glukoza dönüşmesiyle sonuçlanır. Bazı yağ ihtiva eden tohumlarda bu safhalardan geçen karbonun bir kısmı, diğer metabolik reaksiyonlara ayrılır. Hint yağı bitkisinde ise glukoneogesisle bir gram lipid, bir gram karbohidrata dönüşür ve bu dönüşümle, karbon bağlarındaki serbest enerjinin % 40’ı geri alınır (Şekil 13.10).



Şekil 13.10. Yağ depolayan tohumların çimlenmesi sırasında yağ asitlerinin yıkımı ve glukoneogenesisdeki karbon akışı



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



229



Lipidlerin karbohidratlara dönüşmesinin başlangıç aşamasında sferozomlarda depolanan trigliseritler, lipaz enzimi ile yıkılırlar. Bu enzim, sferozomun membranı üzerinde yerleşmiştir. Lipaz, trigliseritleri, 3 molekül yağ asidine ve bir molekül gliserole hidrolize eder. Mısır ve pamuk tohumlarında, lipaz aktivitesi sferozomlarda, kabak, soya fasülyesi, fıstık tohumlarında ise glioksizomlarda gerçekleşir. Özetle lipidlerin yıkımı esnasında, glioksizom ve sferozomlar arasında sıkı bir fiziksel ilişki bulunmaktadır. Trigliseritlerin



hidrolizini



takiben



meydana



gelen



yağ



asitleri



glioksizomlara girer ve orada yağ açil CoA sentaz tarafından yağ açil CoA ya aktive edilir. Yağ açil CoA, (3-oksidasyonunun ilk substratıdır. Bu reaksiyon dizisi, hayvansal dokulardaki yağ asitlerinin yıkımı ile çok benzer olup, meydana getirilen herbir asetil CoA için bir NADH oluşur ve Vı 0 2, H20 ’ya indirgenir. Bitkisel vejetatif dokularda, P oksidasyon reaksiyonları, peroksizomlarda meydana gelir. P oksidasyonla oluşturulan asetil CoA, glioksilat devrini oluşturan bir seri reaksiyonla glioksizomlarda metabolize edilir. Başlangıç olarak, asetil CoA, sitratı oluşturmak için okzaloasetatla reaksiyona girer ve daha sonra da izositrata izomerize olur. Burada iki enzim (sitrat sentaz ve akonitaz) mitokondrideki TC A devrindeki aynı reaksiyonları katalizler. Daha sonraki iki reaksiyon sadece glioksilat devrinde meydana gelir. İlk olarak izositrat (C6), izositrat liyaz enzimiyle süksinata (C4) ve glioksilata (C2) parçalanır. Daha sonra malat sentaz, malatı meydana getirmek için ikinci bir asetil CoA molekülü ile glioksilatı birleştirir. Glioksilat devrinin devamı için malat, malat dehidrogenaz tarafından okzaloasetata okside olur ve okzaloasetat da asetil CoA ile birleşerek sitrat meydana gelir. Glioksilat devrinin esas fonksiyonu, 2 molekül asetil CoA’yı süksinata dönüştürmektir. Sonra süksinat mitokondriye girer ve orada normal TC A devri reaksiyonlarıyla malata dönüşür. Meydana gelen malat, dikarboksilat taşıyıcısı yardımıyla içeriye alınan süksinatla değişerek mitokondri dışına hareket eder. Malat sonra sitozolik malat dehidrogenaz tarafından okzaloasetata okside olur. Meydana gelen okzaloasetat ise karbohidratlara dönüşür. Okzaloasetat, PEP karboksikinaz enzimi ile PEP ve C 0 2’e dönüşür. Son ürün olarak sakkaroz oluşur. Sentezlenen sakkaroz, kotiledonlardan büyüyen fide dokularına taşınır ve orada kullanılır.



230



FERMENTASYON Fermentasyonun son ürünleri, özellikle hamur ve biranın mayalanması, ekonomik bakımdan büyük bir önem taşımaktadır. Hamur mayasının fermentasyonu ile açığa çıkan CO2, fırınlama esnasında hamur hacminin artmasına neden olur. Meydana gelen alkol ise fırınlamada buharlaşır. Bira mayasının fermentasyonuyla üretilen alkol ise bira, şarap ve likör endüstrilerinde kullanılır. Fermentasyon yapan mikroorganizmalar sanayide çok büyük bir öneme sahiptirler. Örneğin yukarıda belirtilenlere ilave olarak sirke ve laktik asit üretiminde, turşunun ekşimesinde ve yoğurdun mayalanmasında bu mikroorganizmaların önemi büyüktür. Yüksek bitki dokuları, oksijensiz kaldığı zaman fermentasyon yapma yeteneğindedirler. Büyük iri meyveler ve yumrulu bitki dokularının merkezlerine doğru alkolik fermentasyonun meydana geldiği belirlenmiştir. Bunun nedeninin ise, oksijenin difüzyon yolunun çok uzun olması ve merkez kısmına ulaşmasının zor ve yavaş olması gösterilmektedir. Çeşitli tohumlar, çimlenmenin başlangıcında tohum kabukları oksijene az geçirgen olduğundan fermentasyon yaparlar. Ayrıca bazı fideler, oksijeni az olan bir ortama konulursa, fermentasyon yapabilme yeteneğindedirler. Bu durum bezelye, mısır ve pirinç fıdelerinde gösterilmiştir. Fidelerin oksijen eksikliğine dayanma süreleri de bitkiden bitkiye değişir. Bazı bitkiler günlerce oksijen eksikliğinde canlı kalabilirken, bazıları (mısır fıdeleri gibi) sadece bir kaç gün kalabilir. Meyva depolanması sırasında meyvelerin olgunlaşmasını geciktirmek için fermentasyon olayının ayrıntılarıyla bilinmesi çok önemlidir. Diğer taraftan depolama esnasında belirli meyvelerden şeker kaybını en aza indirmek için, hızlı fermentasyon meydana gelmeden, solunumsal şeker tüketimini azaltmak önemli bir konudur. Bu, solunumu inhibe etmek için depo ambarlarında yeterince düşük bir seviyede oksijen miktarını azaltma ile gerçekleştirilebilir. Fakat oksijen seviyesinin fermentasyonu başlatacak kadar da düşük olmamasına dikkat edilmelidir. Bu denge, düşük basınç ve düşük sıcaklıkla da sağlanabilir. Sıcaklığın azalması, enzimatik reaksiyon hızını yavaşlatır ve böylece fermentasyon ve solunum olayları da engellenir. Depolama esnasında atmosferik basıncı azaltma tekniği, hipobarik depolama olarak bilinir ve etilen kaybını artırdığı ve olgunlaşmayı geciktirdiği düşünülür. Fermentasyon genel olarak oksijensiz ortamda meydana gelen bir olaydır. Bu nedenle bazı kaynaklarda anaerobik solunum olarak adlandırılır. Genellikle



231



BÖLÜM 13 SOLUNUM VE FERMENTASYON



bu tip solunum gelişmemiş bitkilerde daha yaygın olmakla birlikte, yukarıda belirtildiği gibi yüksek bitkilerde de özellikle tohum çimlenmesinin ilk safhasında veya fazla su nedeniyle havalanması iyi olmayan topraklardaki bitki köklerinde, dokulara yeterli oksijenin ulaşmadığı durumlarda da görülebilir. Fermentasyon olayı sonucunda, bitkisel dokularda genellikle etil alkol veya bazı yüksek bitkilerde ve alglerde görüldüğü gibi laktik asit birikimi görülebilir. Ancak dokuda biriken bu ürünlerin miktarı % 9-18 oranını aşarsa zehir etkisi gösterirler. Sonradan bu dokulara oksijen verilince etanol ve laktik asit oluşumu durarak aerobik solunum yeniden başlar. Glukoz ATP



Hekzokinaz ►ADP



Glukoz-6-fosfat Fosfoghıkoızomeraz !



Fruktoz-6-fosfat 1,.ATP



Fosfofnıktokinaz! >ADP



Fruktoz-l,6-difosfat ALioias i



______ _ __1 .......... Triozfosfat ızortueraz



Dihidroksiaseton «~ fosfat



* Gliseraldehit-3-fosfat +



Glıseraldehit-3-fosfat



,-NAD



dehıdrogenaz



> N A D H + hF



P,



1,3-difosfogliserat >A D P



Fosfogliserai kinaz



♦ATP



3-fosfogliserat Fosfogliseromntaz



2-fosfogliserat Enolas ’ HjO



Fosfoenolpirüvat



+ r o I Etü AlkolU KaAoksilaz



ADP



Piıüvat kinaz



.-$ ■........2



+



>ATP



•Pirüvat Asetaldehit



1 o
1 nl/g taze ağırlık/saat) olmasına rağmen, yüksek bitkilerin bütün organları etilen üretebilir. Olgun dokular ise çok düşük seviyede (< 0.1 nl/g/saat) etilen üretir. Bütün dokularda etilenin yüksek seviyede kalmasını sağlayan olaylar; yaralanma, stress (su eksikliği ve düşük sıcaklık) ve belirli hormonal uyarımlar (IAA, sitokinin, IAA+sitokinin) dır. Örneğin yaralanmış senesens olmayan dokular ya da mekanik olarak hasar görmüş dokular 25-30 dakikada etilen üretimlerini geçici olarak bir kaç kat artırırlar. Etilen çok düşük konsantrasyonlarda (1 ppm’den daha az, 1 pl /L) biyolojik olarak aktiftir. Olgun bir elmada iç etilen konsantrasyonun 2500 p.1 /L kadar yüksek olduğu kaydedilmiştir. Genç büyüyen yapraklar, tam olarak genişlemiş yapraklardan çok daha fazla etilen üretirler. Fasulyede ( vulgaris) genç yapraklar 0,4 nl/g/saat konsantrasyonunda etilen üretmesine rağmen, yaşlı yapraklar 0,04 nl/g/saat üretirler. Angiospermlere ilave olarak gimnospermler ve düşük bitkilerin (algler, eğreltiler, karayosunları, ciğerotları ve belirli siyanobakteriler) bütününün etilen üretme yeteneğinde olduğu bulunmuştur. Funguslar ve bakteriler tarafından etilen üretimi toprağın etilen içeriğine önemli derecede katkıda bulunur. Barsak bakterisi olan Escherichia coli ve mayaların belirli ırklarında metiyoninden büyük miktarlarda etilen üretilir. Bununla birlikte sağlıklı memeli dokuları tarafından üretilmediği belirlenmiştir.



333



334



ETİLENİN HAREKETİ Daha öncede belirtildiği gibi etilen, suda önemli derecede çözünür ve sulu çözeltilerle taşınır. Hücre zarından kolaylıkla ve hızla geçer. Diğer taraftan etilenin etki yerinin, sentezlendiği yere çok yakın olduğu ve bitkide uzun süreli bir hareketinin olmadığı bilinir. ETİLENİN BİYOSENTEZİ Yüksek bitkilerde bir amino asit olan metiyonin, etilenin öncül maddesidir. Metiyonin bir dizi reaksiyonla etilene dönüşür: Metiyonin



S-adenosilmetiyonin (SAM) A



1-aminosiklopropan-l-karboksilik asit



(ACC) ->C2H4



Etilenin detaylı biyosentetik yolu ilk olarak 1979’da belirlendi. Bu konudaki çeşitli zorluklarla karşılaşılmış olup, bunlardan bir tanesi etilenin bitki dokularında mevcut olduğu bilinen çeşitli bileşiklerden sentezlenebileceğidir. Çünkü etilenin sentezlenebileceği muhtemel öncüller vardır. Yapılan in vivo denemelerde, çeşitli bitki dokularının L-'4C-metiyonini 14C-etilene dönüştürebileceğini ve etilenin metiyoninin 3. ve 4. karbonlarından türevlenebileceği gösterilmiştir. Diğer denemeler metiyoninin S grubunun dokularda devrettiğini göstermiştir. S-adenosil metiyonin (SAM), metiyonin ve ATP’den sentezlenen etilen biyosentezinin bir ara ürünüdür (Şekil 16.5). SAM’dan sonraki ara ürünün ise 1-aminosiklopropan-l-karboksilik asit (ACC) olduğu bulunmuştur. Anaerobik şartlar altında, etilenin l4C-metiyoninden üretilmediği, dokularda işaretli ACC’nin biriktiği, fakat oksijene maruz bırakma sonucu etilenin üretiminin arttığı saptandı (Şekil 16.5). Normal olarak çok az etilen üreten bitki dokusuna dıştan ACC uygulandığı zaman, etilen üretiminde önemli derecede artma meydana gelmiştir. Bu açıklama göstermektedir ki ACC’nin sentezi, bitki dokularında etilen üretimini sınırlayan metabolik bir aşamadır. ACC Sentaz, çeşitli bitki dokularının birçok tipinde SAM’ın ACC’ye dönüşümünü katalizleyen enzim olarak bilinmektedir. Bu enzimin aktivitesi birçok çevresel ve iç faktörlerle düzenlenmektedir. Çoğu durumlarda ACC sentaz reaksiyonunun, etilen üretimini sınırlayan enzimatik bir aşama olduğu bulunmuştur.



BÖLÜM 16 BİTKİSEL



HORMONLAR.ABSİSİK ASİT,ETİLEN VE BENZER MADDELER 335



Etilen sentezindeki son adım (ACC’nin etilene dönüşümü) reaksiyonu katalizleyen enzimin birkaç tipik özelliklerine sahiptir. İlgili enzim etilen oluşturan enzim (EFE) olarak adlandırılmakta olup, bu enzim henüz izole edilememiştir.



ETİLEN BİYOSENTEZİNİ UYARAN FAKTÖRLER Etilen biyosentezi, kimyasal ve fiziksel hasar, diğer bitki hormonları, çevresel şarlar ve gelişim durumunu ihtiva eden çeşitli faktörler tarafından uyarılmaktadır. M eyve olgunlaşması Etilen tarafından düzenlenen ve en iyi bilinen gelişim proseslerinden birisidir. Dokulardaki ACC ve etilen seviyeleri, etilen biyosentezinin ve EFE’ nin aktivitesi meyve olgulaştıkça artış gösterir. Olgun olmayan meyvelere ACC’nin uygulanması az miktarda etilen üretimini artırır. Olgunlaşmada EFE aktivitesindeki artışın kritik bir safha olduğu belirtilmiştir. Stres Etilen biyosentezi, kuraklık, sel etkisi (su altında kalma), üşüme ve mekanik hasar gibi stres şartları tarafından artırılmaktadır. Bütün bu



336



durumlarda etilen genel biyosentetik yollarla üretilmektedir ve SAM’ın ACC’ye dönüşmesi çok önemli bir reaksiyondur. Bu “stres etileni”, absisyon, senesens, yara kapatılması (iyileşmesi) ve artan hastalık dayanıklılığı gibi stres cevaplarının uyarılmasıyla ilgilidir. Etilenin su altında kalma (sel etkisi) hasarlarına ait bazı semptomların meydana getirilmesinde rolü olduğu da ileri sürülmüştür. Örneğin sel şartlarındaki mısır bitkilerinde aerankima ve adventif kök oluşumu ile etilen üretimi arasında ilişki olduğu belirtilmiştir. Diğer taraftan Kawase (1974) ayçiçeğine etefon (bitkiler tarafından etilene dönüştürülür) uyguladığında sel hasarlarına benzer etkiler gözlemiştir. Sel durumunda etilen miktarında meydana gelen değişimler Şekil 16.6’da gösterilmiştir.



Oksinler Bazı durumlarda oksin ve etilen, gövde uzama inhibisyonu ve ananasta çiçeklenme uyarılması gibi benzer bitki cevaplarına neden olabilirler. Bu cevaplar, oksinlerin SAM’ın ACC’ye dönüşümünü artırarak etilen sentezini başlatmasıyla sağlanmaktadır. Bu açıklamalar göstermektedir ki daha önce oksinin etkisi ile meydana geldiği ileri sürülen cevapların aslında oksine cevap olarak üretilen etilen tarafından sağlandığı belirlenmiştir. Son olarak Cucurbita pepo meyvelerinde ACC sentazı kodlayan mRNA seviyeleri, rekombinant DNA teknikleri kullanılarak ölçülmüştür. Meyvelerde ACC sentaz mRNA miktarı hem yaralanma ve hem de IAA muamelesine cevap olarak artmıştır. ETİLEN İNHİBİTÖRLERİ Hormon sentezi ya da hormon etkisi inhibitörleri, hormonların fizyolojik rolleri ve biyosentetik yolların çalışılması için kullanılmaktadır. İnhibitörler



BÖLÜM 16 BİTKİSEL HORMONLA R:ABSİSİK ASİT, ETİLEN VE BENZER MADDELER



337'



özellikle bitki dokularında aynı etkilere sahip olan farklı hormonlar arasındaki ayırımın zor olduğu veya diğer hormonun etkisi veya sentezini etkileyen bir hormon olduğu zamanlarda kullanılmaktadır. Etilen, oksinin yüksek konsantrasyonlarının neden olduğu epinasti ve gövde büyüme inhibisyonu etkisine sahiptir. Etilen biyosentezi ve etkisi, inhibitörlerinin kullanılmasıyla etilen ve oksinin etkileri arasındaki farklılığı belirlemek mümkündür. Aminoetoksivinil glisin (AVG) ve aminooksiasetik asit (AOA), SAM’ın ACC’ye dönüşümünü engeller. Kobalt da aynı zamanda bir etilen biyosentezi inhibitörü olup, etilen biyosentezinde son aşama olan ACC’nin etilene dönüşümünü inhibe eder. Etilen etkilerinin çoğunluğu, özel etilen inhibitörlerinin kullanılması ile antagonize edilebilir. Gümüş thiosülfat olarak ya da AgNO;î olarak uygulanan gümüş iyonları, etilen etkisinin potansiyel inhibitörleridir. Ag+ den daha az etkili olmakla birlikte, yüksek konsantrasyonlarda karbondioksit (%5-10 oranında) meyve olgunlaşmasının indüksiyonu gibi etilenin birçok etkilerini inhibe eder. CCVnin bu etkisinden dolayı, olgunlaşmayı geciktirmek için belirli CO2 konsantrasyonları altında meyvelerin depo edilmesinde sık sık kullanılmaktadır. ETİLEN TAYİNİ Etilen gaz kromatografısi veya biyoasseylerle ölçülebilir. 1901’de Neljubovv tarafından kaydedilen eti ol bezelye Edelerindeki üçlü cevap, etilen için spesifik olması, düşük konsantrasyonlara duyarlılığı ve hızlılığından dolayı güvenilir bir biyoassaydir. Bitki dokuları kapalı bir çevrede çeşitli etilen konsantrasyonlarına (0,1 pl/L ve daha yüksek) maruz bırakıldığı zaman, gövde uzamasının inhibisyonu, lateral büyümenin artması (şişme) ve epikotilin horizontal büyümesi gözlenmiştir. Bu cevabın genişliği, örnekteki mevcut etilen konsantrasyonu ile orantılıdır. Gerçek konsantrasyonlar, etilenin bilinen miktarlarına maruz bırakılan dokununki ile örnek cevabının karşılaştırılması ile belirlenir. Diğer bioassayler domates yapraklarının epinastisi ve yaprak absisiyonu ile ilgili olup, bu assayler, 3’lü cevaptan daha az duyarlıdırlar. Bütün biyoassayler etilen mevcudiyeti için belirleyicidir, fakat onların hiçbirisi, etilenin geniş bir konsantrasyonunu belirlemeye izin vermemektedir. Bu şekildeki bir belirleme sadece gaz kromatografısi tarafından başarılır.



338



Gaz kromatografisi, etilenin belirlenmesi için çok duyarlı ve doğru bir metoddur. Etilenin milyarda 5’den az bir kısmı (ppb) tanımlanabilir ve analiz zamanı sadece 1-4 dakikadır. Etilenin biyosentezini belirlemek şu nedenlerden dolayı zordur: 1) etilenin sentezini yapan yüksek bitki dokularından serbest hücre sistemlerini ayırmak ve bunu ispatlamak mümkün değildir. 2) fizyolojik olmayan etilen oluşumu da mümkündür.Bu nedenle birçok araştırmalarda, doku segmentleri ya da doku dilimleri kullanılmıştır. Yüksek bitki dokularında etilenin hücrenin neresinde sentezlendiği tam olarak bilinmemektedir. Son çalışmalarda etilen sentez yerinin plazmalemma olabileceği ileri sürülmüştür. Nitekim hücrelerin homojenize edilmesi, etilen sentez yeteneğini bozmasına rağmen, hassas olarak hazırlanan protoplastlarda etilen üretimi devam eder. ETİLENİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ Etilenin çok farklı sayıda etkisi kaydedilmiştir. Etli meyvelerin olgunlaşmasını ve yaprakların absisyonunu uyarır. Bezelye fidelerinde ise 3'lü cevap (gövdenin radyal şişmesini uyarır, yerçekimi ile ilgili olarak gövdenin yatay büyümesini uyarır ve gövdenin uzamasını inhibe eder) meydana getirir. Ayrıca etiyol dikotil fidelerinde hipokotil veya epikotil kancasını gerginleştirir (sıkıştırır), kök büyümesini inhibe eder, adventif kök oluşumunu ve ananasta çiçeklenmeyi, bazı bitkilerde ise çiçeklerin düşmesini ve yapraklarda epinastiyi uyarır. M eyve Olgunlaşm ası Etilenin, meyve olgunlaşmasını hızlandıran bir hormon olduğu yıllardan beri bilinmektedir. Meyvelere etilenin uygulanması, olgunlaşmayı hızlandırır. Etilen üretiminde belirgin bir artışın meydana gelmesi, tamamıyla olgunlaşmanın başlamasıyla ilişkilidir. Etilen biyosentezi (AVG gibi) veya etkisi (C 02 veya Ag+) inhibitörleri meyve olgunlaşmasını geçiktirir, hatta engeller. Bütün bu açıklamalar kuvvetli bir şekilde göstermektedir ki etilen, olgunlaşmanın kontrolünde esas bir ajandır. Bir çok meyvelerde, olgunlaşma etilen üretimi ve solunumdaki klimakterik bir artışla karakterize edilmektedir. Klimakterik meyvelere ait örnek olarak elma, muz, avakado ve domates verilebilir. Aksine limon ve üzüm gibi meyveler solunum ve etilen üretiminde



BÖLÜM 16 BİTKİSEL



HORMONLAR:ABSİSİK ASİT,ETİLENVE BENZER MADDELER 339



bir artış göstermezler ve klimakterik olmayan meyveler olarak adlandırılırlar. Olgun olmayan klimakterik meyveler etilen ile muamele edildiği zaman, klimakterik safhanın başlaması hızlandırılır. Bu muamele endogenik etilen üretimini başlatamaz ve meyve olgunlaşmasını hızlandırmaz. Absisyon Etilen, absisyon olayının primer düzenleyicisi olarak, oksin ise etilen etkisini baskılayıcı olarak etki eder. Yaprak absisyonunun hormonal kontrolü modeli, birbirini takip eden üç farklı fazdan oluşan olaylarla ilgilidir (Şekil 16.7): 1) Yaprak koruma fazı: Absisyon olayını başlatan herhangi bir işaretin (iç ve dış) alınımı öncesi, yaprak sağlıklı olarak bitki üzerinde kalır ve yaprak bitkide tam olarak fonksiyoneldir. 2) Düşmeyi uyarma fazı: Bir absisyon uyartısı alınır ve yaprak hormonlarının sentez oranlarındaki değişimler gibi bir mesaja dönüştürülür. 3) Düşme fazı: Gerçek absisyon olayları, düşmeyi sonuçlandıran biyokimyasal, anatomik ve fizyolojik olayları ifade eder.



Yaprak sürekliliğinin erken safhasında oksin absisyonla ilgili hidrolitik enzimlerin sentezinin hastalanması ile absisyonu önler. Uzun zamandan beri yaprak ayasının uzaklaştırılması (oksinin üretim yeri) petiyolün absisyonunu uyardığı bilinmektedir. Yaprak ayası uzaklaştırılması durumunda eğer ekzogenik olarak oksin uygulanırsa, absisyon olayı geciktirilir. Düşüşü uyarma fazında oksin seviyesi azalır ve etilen seviyesi artar. Etilenin, oksinin yıkımını artırarak, transport ve sentezini azaltarak oksin aktivitesini azalttığı



340



kaydedilmiştir. Serbest oksinin konsantrasyonundaki azalma, özel hedef hücrelerinin etilene cevabını (duyarlılığı) artırır. Absisyon zonunda yerleşen bu hedef hücreler birikir ve selülaz sentezine bağlantılı olarak meydana getirilen sitoplazmik vesiküller hücre çeperine bırakılır. Düşme fazı, hücre çeperi polisakkaritleri ve proteinlerinin özel hidrolitik enzimlerini kodlayan genlerin uyarılması ile karakterize edilmektedir. Bu enzimlerin etkisiyle çeperin yumuşaması, hücre ayınmı sağlanır ve sonuç olarak absisyon meydana gelir. Etilen yaprak, meyve ve çiçek absisyonunda da rol oynar. Bu hormon yaprak ve çiçek dokularının senesense uğramasıyla üretilir, çiçek veya yaprak sapının gövdeye birleştiği yerdeki absisyon tabakasına etki eder. Daha önce de belirtildiği gibi etilen, absisyon tabakasındaki proksimal hücre tabakasına etki ederek, bu hücrelerin genişlemesine ve hücre duvarı bozucu enzimlerin (selülaz ve pektinaz gibi) sentezini ve salgılanmasını uyarır. Salgılanan bu enzimler absisyon tabakasındaki hücrelerin zayıflamasını sağlar ve yaprak veya çiçek bir stres faktörünün etkisi ile gövdeden ayrılır. Yaprak absisyonu, bitkilere 0,1 ml/1 gibi düşük etilen konsantrasyonu uygulanarak yapay olarak elde edilebilir. En yaşlı yaprak ilk önce dökülür, geri kalanlar kademeli olarak düşmeye devam eder ve en genç olanlar en son dökülür. Epinasti Petiolün üst kenarının (adaksial) alt kenardan (abaksial) daha hızlı büyümesi ile meydana gelen yaprakların aşağıya doğru eğilmesi olayına epinasti adı verilir. Etilen ve oksinin yüksek konsantrasyonları epinastiyi uyarır. Bu olayla ilgili olarak oksinin etilen üretimini uyararak indirekt olarak etki ettiği saptanmıştır. Domates köklerinin su altında kalması ya da anaerobik şartlar, gövdede etilenin sentezinin artmasıyla epinastik bir cevaba yol açar. Bu çevresel faktörler kökler tarafından alındığından dolayı kökten gövdeye aktarılmış olan bir uyartı, gövde tarafından bu tip cevaba dönüştürülür. Bu uyartı, etilenin ara öncüsü olan ACC’dir. ACC seviyesi, 1-2 gün su altında kalan domates köklerinin ksilem özsuyunda önemli bulunmuştur. Fidelerin Büyümesi



derecede yüksek



Etilen tarafından uyarılan uzama inhibisyonu ve hücrelerin lateral genişlemesinin başlatılması, selüloz mikrofıbrillerinin enine yönden boyuna yöne yerleşimi ve mikrotubuluslardaki değişimlerle ilgili olarak hücre çeperinin mekanik özelliklerinin değişmesi ile yerine getirilir.



BÖLÜM 16 BİTKİSEL HORMONLAR:ABSİSİK ASİT, ETİLEN VE BENZER MADDELER



341



Pirinç gibi bazı monokot türlerde, etilen çoğu Pidelerdeki onun genel inhibisyon etkisine zıt olarak, gövde uzaması başlatıcısı olarak etki eder. Pirinç Pidelerinin anaerobik bir ortam meydana getiren sel şartlarına ve etilene maruz bırakılması, intemodal büyümede belirgin bir artışa neden olur. Oksijen yokluğunda, etilen sentezi azalır, fakat kullanılabilir etilen, su altında kalan toprakta çok yavaş olarak difüze olur. Sonuç olarak suya batan pirinç bitkileri, gövde uzamasını artıran yüksek etilen konsantrasyonlarına maruz kalır. Etilene maruz bıraktıktan sonra meydana gelen bu tipik boyuna büyüme çimlenme esnasında önemli bir role sahip olabilir. Yeryüzündeki fiziksel engeller fide çıkışını engellediği zaman, etilen üretimi yüzeye çıkışma izin veren toprak şartlarını bulmak için fidelenmeye izin vererek boyuna büyümeyi uyarır. Tohum ve Tom urcuk Dormansisi Hububat tohumlarına etilen uygulandığı zaman dormansileri kırılır ve çimlenmeye başlarlar. Fıstıkta da etilen üretimi ve tohum çimlenmesi birbiri ile ilişkilidir. Dormansi üzerindeki etkisine ilave olarak, etilen bazı türlerin tohum çimlenme hızını artırır. Tomurcuk dormansisi de etilen tarafından kırılabilir ve etilen muamelesi patates yumruları ve diğer yumruların filizlenmelerinin başlatılması için kullanılmaktadır. Köklenme Uyarımı Etilen yaprak, gövde, çiçek gövdesi ve hatta diğer köklerde kök oluşumunu uyarma kapasitesindedir. Bu cevap nadiren yüksek etilen konsantrasyonlarına (10 pl/L) ihtiyaç duyar. Etilenin kök büyümesi üzerindeki etkilerinden bahsedecek olursak; özellikle sulu ortam şartlarında toprak mikroorganizmaları tarafından üretilen etilenin bitkilerin kök büyümesini etkilediği bulunmuştur. Çiçeklenme Etilen birçok türde çiçeklenmeyi inhibe etmesine rağmen ananasta çiçeklenmeyi uyarır ve meyve oluşumunu sağlamak için bu türlerde ticari olarak kullanılır. Mango gibi Bromeliaceae familyasının diğer türlerinin çiçeklenmesi etilen tarafından uyarılabilir. Erkek ve dişi çiçekleri ayrı olan bitkilerde, etilen büyüyen çiçeklerin eşeyini değiştirebilir. Kabaktaki dişi çiçek uyarımı bu etkinin bir örneğidir.



342



Çiçek ve Yaprak Senesensi Yaprak ve çiçek senesensinin başlaması etilen tarafından hızlandırılır ve etilen sentezi (AVG veya Co2+ ile) ya da etkisi (Ag2+ veya C 0 2 ile) inhibe edilerek önemli derecede geciktirilir. Artan etilen üretimi, yaprak ve çiçek senesensinin karakteristik özellikleri olan renk değişimi ve klorofil kaybı ile ilişkilidir. ETİLENİN BİYOKİM YASAL ETKİ ŞEKLİ Hayvansal sistemlerde bir hormon cevabının ilk aşaması hedef dokudaki bir özel reseptöre hormonun bağlanmasıdır. Bu bağlanma fizyolojik bir cevapla sonuçlanan bir seri reaksiyonu başlatır. Etilen etkisi ile ilgili çalışmalar, etilenin Zn ve Cu ihtiva eden bir reseptör ile ilişkide bulunduğu hipotezinin ortaya atılmasına yol açmıştır. Etilen bağlanması, Phaseolus in kotiledonlarından izole edilen serbest hücre sisteminde çalışılmıştır. Kimyasal deliller, etilen bağlayan reseptörün, etilen oksidasyonu ile ilgili olabilen bakır ihtiva eden bir protein olduğunu göstermiştir. Etilenin etki şekli etilenin, etilen oksit ve etilen glikol gibi oksidasyon ürünlerine bağlı olabilir. Bununla birlikte bu hipotez için direkt delil yoktur. Meyve olgunlaşması etilen tarafından düzenlenen çok kompleks bir olaydır. Olgunlaşma, meyve senesensine yol açan diğer metabolik değişimler (renk, lezzet ve meyve içeriği) ile ilgili bir seri metabolik olaydan oluşur. Bu morfolojik ve biyokimyasal değişimler altında yatan, olgunlaşma safhasını başlatan gen ekspirasyonundaki değişimlerdir. Olgunlaşma sırasında hücre çeperi yumuşaması ile selüloz ve pektin gibi hücre çeperi bileşenlerinin hidrolizini katalizleyen selülaz ve poligalakturonaz aktivitelerinin artışı arasında bir korelasyon vardır. Avakado ve domatesdeki meyve olgunlaşması sırasında etilen, selülaz ve poligalakturonaz mRNA’larının birikimine neden olmuştur. İlk bakışta bu olaylar zinciri memelilerdeki steroid hormonların etki şekline benzemektedir. Bilindiği gibi steroid hormonlar hücreye girer ve sitoplazmada özel bir reseptör proteine bağlanarak, bu formda nukleusa aktarılır. Orada da mRNA'ları oluşturacak genleri etkilerler (Şekil 16.8). Bununla beraber etilenin etki şeklinin steroid hormonlardan önemli bir farklılığı vardır. Steroid hormon reseptör proteini sitoplazmada yer alır ve genlere etki etmek için nukleusa gidebilecek bir serbestliktedir. Aksine etilen reseptör



BÖLÜM 16 BİTKİSEL



HORMONLAR.ABSİSİK ASİT,ETİLEN VE BENZER MADDELER 3 4 3



proteini membrana bağlı olup, serbest değildir. Membrana bağlı reseptör proteinden genlere nasıl sinyal gönderildiği tam olarak bilinmemektedir.



Şekil 16.8. Etilenin DNA üzerine etkisi Avacado meyvesinin olgunlaşması esnasında selülaz sentezinin etilen tarafından uyarılma modeli(Taiz ve Zeiger’den) ETİLENİN TİCARİ KULLANIM I Etilen bitki gelişimi ile ilgili bir çok fizyolojik olayı düzenlemesinden dolayı, ziraatta çok geniş olarak kullanılan bitki hormonlarından birisidir. Oksin ve ACC, etilenin doğal biyosentezinin başlatıcısı olup, bazı durumlarda ziraatta da kullanılmaktadır. Difuzyon hızının yüksek olmasından dolayı, etilenin gaz olarak tarlalarda uygulanması çok zordur. Fakat bu sınırlama etileni serbest bırakan bileşiklerinin kullanılmasıyla aşılabilir. Çok geniş olarak kullanılan bileşik etefon (2-chloroetilfosfonik asit) dur (Şekil 16.9). 1960’larda bulunan bu bileşiğin ticari adı Ethrel’dir. Etefon, sulandırılmış solüsyonlarla püskürtülür ve bitki içerisinde taşınabilir ve absorbe edilebilir. Etefon kimyasal reaksiyonla yavaşça etileni oluşturur. Etefon domates ve elmaların meyve olgunlaşmasını hızlandırır,



Citrus’lyaneşil rengini sarıya dönüştürür, meyvelerin ve



çiçeklerin absisyonunu hızlandırır, ananasta meyve oluşumu ve çiçeklenmeyi



344



uyarır. Pamuk, kiraz ve cevizde meyve düşüşü ya da meyve seyrekleşmesini etilen uygulamasıyla başarmak mümkündür. Etilen aynı zamanda kabakta dişi seks ifadesini uyararak kendi kendine tozlaşmayı engellemek ve verimi artırmak için kullanılır. Ayrıca yoğun çiçeklenme ve lateral büyümeyi uyarmak için, bazı bitkilerde terminal büyümeyi inhibe etmek için de kullanılmaktadır.



CI — C H ? — C H *—



O !! p —



OH



+



OH



ı O 2-kloroetilfosfonik asit (etefon)



ch



2=



c



H;.



+



h />o



4



+



cr



‘



etilen



Şekil 16.9. Etefonda etilenin oluşum reaksiyonu. Etilen biyosentezi ve etkisinin özel inhibitörleri, hasat sonrası saklamada uygulanmaktadır. Gümüş (Ag+), kesme çiçeklerin ve diğer çiçeklerin ömürlerini artırmak için geniş olarak kullanılmaktadır. Güçlü etilen inhibitörü olan AVG, meyve olgunlaşmasını ve çiçek solmasını geciktirir, fakat onun ticari kullanımı firmalar tarafından uygun görülmemiştir.



DİĞER BÜYÜME REGÜLATÖRLERİ Oksin, giberellin, sitokinin, absisik asit ve etilen genel bitki hormonları olmakla birlikte fizyolojik olarak aktif başka bileşikler de vardır. 1) Düşük organizasyonlu bitkiler (algler, funguslar, karayosunları ve eğreltiler) tarafından üretilen ve onların gelişmesini düzenleyen maddeler (trisporik asit, sirenin, ectocarpen , antheridogenler). 2) Mikroorganizmalar tarafından üretilen ve yüksek bitkilerin büyümesini etkileyen bileşikler (sclerin, pestalotin, fusikokin, kotileninler). 3) Yüksek bitkiler tarafından üretilen ve doku segmentleri veya sağlam bitkilere uygulandığında onların büyümesini uyaran bileşikler (fenolik karboksilik asit, sinnamik asit, flavonoidler, kumarinler, doymuş laktonlar, poliaminler, brassinosteroidler) Bu maddelerden en çok çalışılanlardan birisi poliaminler, diğeri ise özellikle son yıllarda çok popüler olan brassinosteroidlerdir. BRASSİNO STERO İDLER İlk olarak Brassica napus L. (kolza) bitkisinin polenlerinden izole edilen kompleks lipid karışımı bir bileşiğin, fasulyenin ikinci intemodlarınm



BÖLÜM 16 BİTKİSEL



HORMONLAR.ABSİSİK ASİT, ETİLEN VE BENZER 345 MADDELER



uzamasını uyarmıştır. Bu aktif maddeler brassinler veya brassinosteroidler olarak bilinir. Brassinolidler bitkilerde çok düşük konsantrasyonlarda mevcutturlar. Örneğin başlangıçta 10 mg brassinolidi kristal halde elde etmek için 225 kg kolza poleni ekstrakte edilmiştir. Brassinosteroidler sadece polenlerden değil, çeşitli bitkilerin gövde, yaprak ve çiçeklerden de izole edilmiştir. Oksinlere benzer olarak brassinolidler mikromolar konsantrasyonlarda aktiftirler. Bitkilerde çok düşük konsantrasyonlu uygulamaların epikotil ve hipokotil uzamasına neden oldukları belirlenmiştir. Örneğin 10'7 M konsantrasyonu soyafasulyesi epikotillerinin uzamasını 4 kat artırdıkları saptanmıştır. Son yıllarda başta stres olmak üzere brassinosteroidlerin bitkilerde değişik fonksiyonlar üzerinde etkili oldukları kaydedilmiştir. KUM ARİNLER Doğal olarak fenil alanin amino asidinden türevlenen doymamış laktonların bir grubudur. Vasküler bitkilerde (özellikle Gramineae ve Leguminosae familyaları) yaygın olarak bulunurlar. Kumarinler oksinler tarafından uyarılan büyümeyi inhibe etmekle birlikte çok düşük konsantrasyonlarda büyümeyi artırabilirler. Kumarinler çimlenmeyi inhibe ederler ve doğal olarak tohum dormansisinin devamını sağlarlar. Diğer bir fenilalanin türevi olan transsinnamik asit ise gövde kesitlerindeki oksin aktivitesini inhibe eder ve bir antioksin olarak düşünülmüştür. POLİAM İNLER Bir aminoasit türevi olan poliaminlerin, putrescin, kadaverin, spermidin ve spermin olmak üzere 4 tipi vardır (Şekil 16.10). Putrescin ve sperminin biyosentez yolu ilk kez mikroorganizmalarda belirlenmiş, daha sonra hayvan ve bitki hücrelerinde de aynı yolların geçerli olduğu bulunmuştur. Putrescin argininden iki yolla türevlenir. Birinci yolda, arginin üreyi kaybederek omitini ve daha sonra da omitin dekarboksilaz enziminin yardımıyla C02'i kaybederek putrescini oluşturur. İkinci yolda arginin, arginin dekarboksilaz tarafından dekarboksile edilerek agmatin ve bundan da putrescin meydana getirilir. İkinci yolun bitkilerde daha geçerli olduğu ileri sürülmüştür. Spermidin ve spermin ise, putrescinden türevlenir. Ayrıca spermidin ve spermin metiyoninden de meydana gelebilir. Kadaverin ise tamamıyla ayrı bir yolla lisinden, lisin dekarboksilaz enzimi katalizörlüğü ile sentezlenir.



346



H2N - (CH2) 4- NH2 (putrescin) H2N - (CH2) N H - (CH2) 4- NH2(spermidin) H2N - (CH2) 3- NH - (CH2) 4- NH - (CH2) , - NH2 (spermin) Şekil 16.10. Putrescin, spermidin ve spermininin yapıları POLİAM İNLERİN FİZYOLOJİK ETKİLERİ Son yıllarda giderek artan çalışmalar poliaminlerin bir büyüme etmeni olarak rol oynadıklarını ortaya koymuştur. Verilere göre, bu aminler dormant haldeki yerelması tuberlerinde eser miktarda bulunurken, gövdenin büyümeye başlaması ile 10-20 kat artmıştır. Poliamin sentezinin çimlenme sırasında yükseldiği de belirlenmiştir. Bazı bitkilerde fide büyümesi sırasındaki poliamin düzeyindeki farklılıkların, bunlann büyüme etkeni olarak rol oynamalarının bir sonucu olduğu düşünülmektedir. Örneğin Bagni (1970) Phaseolus vulgaris fidelerinin büyümesi sırasında spermidin ve sperminin kotiledonlarda azaldığını, gövdedeki büyümenin, RNA ve protein sentezi ile birlikte arttığını bulmuştur. Bundan başka, polen tüpü büyümesinden önce poliaminlerin, RNA ve protein sentezini artırdığı da belirlenmiştir. Bu verilere ek olarak, yüksek poliamin düzeyinin, aktif bitki büyümesi ve mitotik aktivitenin başlaması ile paralel olduğu kaydedilmiştir. Yaklaşık olarak 30 yıldan beri çevrenin optimal veya stres meydana getiren şartlarına maruz kalmış yüksek bitkilerde putrescin konsantrasyonunda artış olduğu bilinmektedir. Birçok bitki türünde K+ ve Mg2+ eksikliklerinin putrescin içeriğinin artmasına; P, S ve N eksikliklerinin ise putrescin azalmasına neden oldukları kaydedilmiştir. Yine su stresine maruz bırakılan yulaf bitkilerinde putrescin içeriğinin arttığı bulunmuştur. Son yıllarda bazı düşük sıcaklığa tolerans göstermeyen yarı tropik meyvelerde 5 °C sıcaklık uygulanması putrescin düzeyinin artmasına neden olmuştur. Havaya önemli bir kirletici olarak karışan SÖ2 gazının bezelye bitkisinde serbest ve bağlı putrescin artışına neden olduğu saptanmıştır. Son yıllarda poliaminlerin senesense etkisi konusunda pek çok araştırma yapılmıştır. Galstan ve arkadaşları poliaminlerin RNaz ve proteaz aktivitesine ket vurarak senesensi önlediğini saptamışlardır. Bu veriler poliaminlerin büyümeyi düzenleyici desteklemektedir.



maddeler



gibi



senesensi



geciktirdiklerini



Yüksek bitkilerdeki mantar enfeksiyonunda poliaminlerin yakından ilişkisi vardır. Örneğin, domates meyvelerinin Rhizopus stolonifer mantarı ile



BÖLÜM 16 BİTKİSEL HOR M ON LA R:A BSİSİK ASİT, ETİLEN VE BENZER MADDELER



347



enfekte olması sonucunda, putrescin konsantrasyonu azalmıştır. Hangi yolla etkili olduğu hakkında fazlaca bilgi mevcut değildir. Fitokrom-poliamin ilişkisi üzerinde yapılan araştırmalar, bitkilerdeki poliamin etkinliğinin fitokrom aktivitesi ile yakından ilgili olduğunu ortaya koymuştur. Görüldüğü gibi yukarıda belirtilen fizyolojik etkiler göz önüne alındığında poliaminlerin bitki metabolizma, büyüme ve farklılaşmasında teşvik edici olduğunu göstermektedir. Gelecekte bu aminoasit türevlerinin bir büyüme düzenleyicisi gibi kullanılabilecekleri olasılığı giderek kuvvetlenmektedir.



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE



TOHUMDAN MEYVALAKADAR GELİŞME 349



çevresel streslere karşı embriyoyu korumaktır. Daha önce bahsedildiği gibi birçok bitkide tohum kabuğu, çeşitli dormansi şekillerine neden olabilir. Tohum kabuğu içerisinde endosperm olarak adlandırılan bir besin dokusu vardır. Endosperm hücreleri genellikle triploid olup, primer endosperm nukleuslarından türevlenen ve iki polar nukleusun bir sperm nukleusuyla birleşmesiyle oluşurlar. Endosperm nişastayı yüksek oranlarda ihtiva eder. Tohum çimlenmeye başladığı zaman bir depo materyali olarak hizmet gören nişasta glukoza yıkılır. Çeşitli tohumlara ait nişasta ihtiva eden endosperm dokusu aşağıdaki şekillerde (Şekil 17.1 ve 17.2) gösterilmiştir. Alevron tabakası T ohum kabuğu Endosperm Koleoptil Yaprak primordiumu Gövde apeksi Skutellıum (kotiledon)



Kök apeksi M IS IR



s-



Koleorhiza



Şekil 17.1. Mısır tohumunun genel yapısı (Kaufman’dan)



Şekil 17.2. Fasulye tohumunun genel yapısı (Kaufman’dan)



350



Hububat tanelerinde (örneğin pirinç) endospermin en dış yüzeyi alevron tabakası olarak adlandırılır. Bu tabaka diğer metabolitleri (depo proteini) ihtiva eder. Tohumlarda depo proteinlerinin kaynağı alevron tabakası ve embriyodur. Diğer tip depo materyali olan lipidler, bazı tohumların endosperminde bulunur. Ayçiçeği, soya fasulyesi, çam, hardal, fıstık, ladin, yalancı safran (papağan yemi) gibi lipitçe zengin tohumlar, yüksek konsantrasyonlarda katı ve sıvı yağlara sahiptirler. Tohum çimlenmesi esnasında depo metabolitleri ara ürünlere parçalanır. Örneğin nişasta şekerlere, proteinler amino asitlere ve lipidler yağ asitlerine dönüşür. Bu çözünür ara ürünler, çimlenen fıdelerde büyüme ve enerji üretiminde kullanılır. Yüksek besin içeriği yüzünden tohumlar insan beslenmesinde önemli rol oynarlar. Endosperme ilave olarak, tohumda bir de embriyo mevcuttur. Embriyo hububatlarda, tohumun küçük bir kısmını, koniferlerde yarıya yakın bir kısmını; bezelye, fasulye, yonca ve meşede ise büyük bir kısmını işgal eder. Bu son grupta embriyo kotiledonları (tohum yaprakları), tohum hacminin büyük bir kısmını işgal eder. Embriyolar aşırı derecede değişken olup, bu değişkenlik sadece embriyonun boyutları için değil aynı zamanda olgun tohumlardaki farklılaşmada da vardır. Bazı tohumlar (çoban püskülü ( ), Ginkgo, Viburnum (kartopu) ve orkidelerde olduğu gibi) farklılaşmamış embriyolara sahiptirler. Örneğin, orkide tohumlarında, su ve rüzgarla yayılmaya adapte olan globular embriyo, kanatlı şekilli tohum kabuğunu oluşturan farklaşmamış bir hücre kitlesi tarafından çevrilir. Oldukça yüksek derecede farklılaşmış çim embriyolarında; skutellum (kotiledon), yaprak primordiumu (genç yapraklan kuşatan kısım), koleoptil (gövde kısmındaki silindirik koruyucu tabaka) ve kolerhiza (kök apeksi üzerindeki koruyucu tabaka) olarak adlandırılan yapılar bulunur. Tohumların Canlılık Periyodu Çimlenme için uygun şartlar bulunan bir ortamda tohumlar şayet çimlenmiyorsa, bu tohumlar ölü (cansız) ya da dormant olabilir. Dormant tohumlar, canlı olmasına rağmen, çimlenme kapasitesine sahip değildirler. Çeşitli çevresel şartlar dormansiyi sağlayan mekanizmalara katkıda bulunurlar. Tohumun hayat süresi yani tohumun canlı kalma periyodu, tohumlu bitkiler arasında oldukça değişkendir. Akçaağaç, kavak, söğüt ve karaağaç tohumları



BÖLÜM 1 7 BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMAYA KADAR GELİŞME



351



genellikle birkaç hafta canlı kalabilirler. Diğer taraftan çoğu sebze tohumları uygun şartlarda depolanırsa, birkaç yıl canlılıklarını sürdürebilirler. Ladin, Tsuga (köknara benzeyen bir çam ağacı), köknar ve çam ağacı tohumları 15-20 yıl canlı kalabilir. Genel inancın aksine, hububat tohumları (buğday, arpa, yulaf, pirinç, çavdar ve darı tohumlan) binlerce yıl canlı kalamaz. Eski Mısırlılar piramitlerde depolanan arpa ve buğday tohumlarının binlerce yıl canlı kaldığına inanırlarmış. Oysa bu tohumların oda sıcaklığında depolanmasıyla 5 yıl, -10 °C'de depolanmasıyla 50 yıl kadar canlı kalabildikleri bulunmuştur. Tohumları uzun süre saklamak için soğukta muhafaza etmek gerekir. İdeal bir depolama tohum depo bankası denilen özel yerlerde yapılır. Bazı bitki tohumlarının 50 yıldan daha uzun bir süre canlı kalabildikleri ispatlanmıştır. Michigan State Üniversitesinde birçok bitki türüne ait tohumlar canlılık denemeleri için 1800'lü yılların sonunda şişeler içerisinde toprağa gömüldü ve tohum testleri yardımıyla her 10 yılda bir canlılık testleri yapıldı. Oenothera biennis ve Rumex crispus tohumlarının 90 yıl sonra hala canlı kaldığı görülmüştür. Bu iki yabani ot türü, test edilen düzinelerce bitkiden en uzun canlılığa sahip olanlar idi. Diğer taraftan yonca tohumları 75 yıl kadar canlı kalabilirler. Çünkü bunlar primer olarak gaz değişimi ve suyun alınımını büyük ölçüde geciktiren sert bir tohum kabuğuna sahiptirler. Ayrıca Manchuria kömür yataklarında çok uzun süre canlı kalabilen tohumlar bulunmuştur. Bunlardan Nelumbo nucifera tohumlarının karbon etiketlenmesi ile 200 yıldan daha uzun bir süre canlı kaldıkları belirlenmiştir. Bir tohumun canlı olup olmadığı nasıl anlaşılır? Bunun için genel metod, belirli bitki türlerinin tohumlarının çimlendiği ışık, su ve sıcaklık şartları altında tohum çimlenme testidir. Bu çimlenme testleri için; sitokinin ve giberellin gibi hormonlarla muamele, steril kültürde büyütme, ışık ihtiyacı, tohum skarifikasyonu (tohum kabuğunun mekanik olarak zayıflatılması), tohum strafikasyonu gibi tohum dormansisinin kırılmasına neden olan uygulamalara ihtiyaç duyulabilir. ----- , ^ Tohumların canlılığı, 2,3,5-trifeniltetrazolium klo^ıt (TTC) ije ikiye bölünmüş tohumların muamele edilmesiyle de belirlenebilir Egeftohumlarda metabolizma aktif ise TTC, dehidrojenasyonla pembe bir ürün olan formazona yükseltgenir. Bu reaksiyon, solunumun meydana geldiği tohumlarda aktif olan dehidrojenaz enzimleriyle katalize edilir.



Formazonun oluşumu solunumun



devam ettiğini gösterir ve böylece tohumların canlı olduğu söylenebilir.



352



Tohumun Çimlenmesi Tohum çimlenmesi, embriyonun yeniden büyümeye başlamasıdır. Su alımmıyla meydana gelen basit tohum şişmesi tohum çimlenmesi için yeterli değildir. Tohum çimlenmesi ayrıntılı bir olaydır. Çimlenme sırasında meydana gelen olaylar ve çimlenmeye etki eden bazı faktörler aşağıda izah edilmiştir. Tohum çimlenmesi, tohumun şişmesine neden olan su alınımı ile başlar (imbibisyon) ve tohum kabuğu çatlar. Bu olayı, endosperm ve kotiledonlarda depolanan depo metabolitlerinin (nişasta, protein, sıvı ve katı yağlar) enzimatik yıkımı takip eder. Daha sonra DNA ve RNA sentezi ile solunum hızında büyük artışlar meydana gelir. Yağların yağ asitlerine yıkımını düzenleyen lipazlar; proteinlerin amino asitlere yıkımı ile ilgili proteazlar ve nişastanın şekerlere yıkımını düzenleyen amilazları ihtiva eden hidrolitik enzimlerin oluşumu RNA sentezi ile ilişkilidir. Bu yıkım ürünlerinin tümü, çimlenen fıdelerin kök sistemleri ve büyüyen köklerdeki dokuların ve yeni hücrelerin oluşumunda yapı malzemesi olarak kullanılır. Bazı RNA'lar, ovaryumda tohum taslağından tohumun gelişmesi sırasında sentezlenirler ve olgun tohumlarda da bulunurlar. Bunlar uzun hayat süreli mRNA'lar olarak adlandırılır. Uzun hayat süreli mRNA çeşitleri, farklı hidrolitik enzimlerin sentezinden sorumludur.



Şekil 17.3. a) Tohumun çimlenme öncesi yapısı b) Çimlenme sırasında meydana gelen metabolik olaylar: 1) tohum su alır (imbibisyon), 2) embriyoda GA sentezlenir, 3) GA, DNA’yı uyararak amilaz mRNA’sını meydana getirir, 4) alevron tabakasında depo proteinleri parçalanarak amino asitler oluşur, 5) meydana gelen amino asitlerden RNA yardımıyla amilaz enzimi oluşturulur, 6) sentezlenen amilaz endospermdeki nişastayı şekerlere parçalar, 7) şekerler embriyoya taşınır, 8) embriyoda hem enerji olarak hem de yapısal olarak büyümede rol oynarlar.



BÖLÜM 1 7 BİTKİLERDE



TOHUMDAN MEYVALAYA KADAR GELİŞME 353



Tohum çimlenmesi en ayrıntılı olarak arpa tohumlarında çalışılmıştır. Bu tohumların embriyolarındaki tek kotiledon skutellum olarak adlandırılır ve giberellin üretir. Sentezlenen giberellin, endospermin alevron tabakasına salgılanır ve alevron hücrelerinde a- amilaz enziminin sentezini uyarır. Bu yeni sentezlenen



a-amilaz,



nişastanın



şekere



enzimatik



yıkımını



sağlayan



endospermin nişasta dokusu hücrelerine salınır (Şekil 17.3). Daha önce ifade edildiği gibi, bu reaksiyon nişastanın şekere dönüştüğü mayalanma esnasındaki ilk reaksiyondur. Çimlenme Üzerine Işığın Etkisi Işık, bazı tohumların çimlenmesine önemli derecede etki eder. Bunun çalışılmış en iyi örneği marul ( Lactucasativa) kültürleridir. kültürlerine ait tohumlarının kullanılması ile yapılan denemelerde, kırmızı ışığın _ (yaklaşık 660 nm), cimlenmevi daha fnrln uyardığı, uzak kırmızı ışığın (730 nm) ise uyarmadığı belirlenmiştir. Münavebeli olarak kırmızı ve uzak kırmızı ışık muamelelerinden en son uygulanan ışığın çimlenme üzerine yukarıda belirtilen şekilde etki ettiği görülmüştür. Marul ve birçok tohumda çimlenmeyi düzenleyen kırmızı ve uzak kırmızı ışık reaksiyonlarının kontrol noktasını fıtokrom pigmentinin oluşturduğu bulunmuştur. Toprağın en üst tabakasında ve öncelikle su almış olan ışığa ihtiyaç duyan tohumlarda çimlenmeyi uyarma bakımından, laboratuvarda verilen kırmızı ışık ile tabiattaki güneş ışığı aynı etkiye sahiptir. • Çimlenme Üzerine Sıcaklığın Etkisi Sıcaklık, tohum çimlenmesini düzenleyen diğer önemli çevresel bir faktördür. Birçok tohum, tohum kabuklarındaki inhihitörleri yıkmak için düsıik sıcaklık peryoduna ihtiyaç duyar. Soğuk şartlar altında, ılıman bölgelerdeki kış mevsiminde olduğu gibi, tohum kabuğundaki absisik asit (ABA) ya da diğer inhibitörler yıkılır. İlkbaharda ise sıcaklığın artması ile endoienik giberellin seviyesinde artma meydana gelir ve tohumlar çimlenmeye başlar. Bu olaylardaki ayrıntılı mekanizmalar tam olarak bilinmemektedir. Eğer sıcaklık çimlenme için uygun değilse tohumların çimlenmesi durur ve bu durum söz konusu şartların ortadan kalkmasına kadar devam eder. İlkbaharda tohumların çimlenmesi, bu mevsimin Edelerin büyümesinde uygun bir büyüme sezonu olduğunu göstermektedir.



Bu bit



354



TOPRAKTAN FİDELERİN ÇIKIŞI Suyun tohum tarafından alınmasından sonra, embriyo büyümeye başlar, kök (radikula) ve gövde (epikotil) tohum kabuğunu çatlatarak dışarı çıkar. Bazı türlere ait fıdelerde kök ve gövde kısımlarının büyümesi kotiledonları yüzeyden yukarıya doğru çıkarır. Bu durum epigeik çimlenme olarak adlandırılır. Epigeik çimlenen bitkilere örnek olarak fasulye, çam, domates ve kabak verilebilir. Toprak üzerindeki kotiledonlar zamanla yeşillenir ve epikotilden gerçek fide yaprakları çıkıncaya kadar fotosentez yapabilirler. Diğer türlerde ise kotiledonlar (skutellum) toprağın altında kalır (örneğin çimler) ve bu tip çimlenme hipogeik çimlenme olarak adlandırılır. Hipogeik fidelere mısır, bezelye, yulaf, pirinç, buğday, ceviz, meşe örnek olarak verilebilir. Toprak altında bulunan yeşil olmayan kotiledonlar ve endosperm, epikotil ve radikulanın gelişmesi için gerekli metabolitleri sağlar. Topraktan çıkan bir fidenin kotiledonlarının aşağısındaki gövde kısmında ya da hipokotilin ucunda dirsek veya kanca (çengel) meydana gelir. Bu kanca, epikotilin ucundaki yaprak primordiyumları ile ilişkili olup, apikal meristemin önemli bir hasar görmemesini ve daha az dayanıklı olan hipokotilin toprak yüzeyine doğru büyümesini sağlar. Meydana gelen çengel veya kanca kademeli olarak açılır (Şekil 17.4) ve kotiledonlar (epigeik fıdelerde) ile ilk gerçek yapraklar, çok etkili bir fotosentez fonksiyonu görürler.



Şekil 17.4. Bitkilerde çengel (kanca) oluşumu a) Fasülye b) Allium sativum (Kaufman’dan) Kanca Açılması Fitokromlar Tarafından Düzenlenir Etiol fideler, gövde apeksinin terminal kısmının kanca şekilli olması ile karakterize edilir. Bu şekil, apikal meristemi korur ve yeryüzünden fidelerin



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE



TO H U M D AN YAKADAR GELİŞME



355



çıkışını kolaylaştırır. Epinastiye benzer olarak kanca kapanışı ve açılması, etilen tarafından uyarılan asimetrik büyümeden kaynaklanır. Kancanın bu şekli, dış kenarın iç kenardan çok daha hızlı bir büyüme göstermesi ile meydana gelir. Bu kanca ışığa maruz bırakıldığı zaman, iç kenarının büyüme hızının artmasından dolayı kanca açılır. Kırmızı ışık açılmayı uyarır, uzak kırmızı ışık ise açılmayı engeller. Bu olayla ilgili fotoreseptör fıtokromdur. Fitokrom ve etilen arasındaki yakın ilişki, kanca açılmasını kontrol eder. Karanlıkta kanca dokusu tarafından etilen üretildikçe, iç kenar üzerindeki hücrelerin büyümesi inhibe edilir. Kırmızı ışık etilen oluşumunu inhibe eder ve iç kenar üzerindeki büyümeyi başlatır ve kanca açılır. Karbondioksit, çimlenen fidelerde etilenin bu etkisini engeller. Aynı zamanda kırmızı ışık, CO2 üretimini artırarak etilenin etkisini engeller. Sonuç olarak, hipokotilin kanca kısmının açılması sağlanır. Tersine, uzak kırmızı ışıkta CO2 üretimi baskı altına alınır; dolayısıyla etilenin etkisi engellenemez ve fide kanca oluşumuna devam eder.



GÖVDE UZAMASI Gövde uzaması bir çok yolla gerçekleşir. Bazı bitkilerde (örneğin birçok kaktüs çeşitinde, rozet bitkilerde ve genetik cücelikte olduğu gibi) gövde büyümesinin farkına varmak çok zordur. Diğer bitkilerde örneğin bozkırlardaki Agave sp.'de (yüz yaşına gelene kadar çiçek açmadığına inanılan bir süs bitkisi) çiçek durumunu (infloresens) destekleyen gövde uzantısının uzaması oldukça barizdir. Ayrıca bitkinin tabanında, gövdeden yan bitkilerin gelişmesinde de gövde uzaması çok barizdir. Genellikle otsu bitkilerde gövde uzadığı zaman hızla çiçeklenme meydana gelir. Bununla birlikte odunsu bitkilerde bariz gövde uzaması vejetatif gövdelerde meydana gelir. Gövde uzaması olavı aktif hücre bölünmesi ve uzamasıyla ilgilidir. Bu olay giberellinler gibi hormonlar tarafından başlatılır. Düşük sıcaklığı takip eden, ılık sıcaklık periyodu büyümeye yardım eder. Ayrıca gün uzunluğundaki kademeli değişme ya da yağmurlu bir periyodu kuru bir sezonun takip etmesi de büyümeyi uyarır. Bu bölümde hububat, odunsu ve iki yıllık otsu bitkilerde (biennials; çiçeklenmek için bir yıldan daha fazla, iki yıldan daha az zamana ihtiyaç duyanlar) meydana gelen gövde uzaması olayları üzerinde durulacaktır.



356



Hububatlarda ve Diğer Çimlerde Gövde Uzaması Çimlerde göze çarpan en ilginç gövde uzaması örneği hintkamışı (bambu) bitkisinde meydana gelir. İlkbaharda gövdelerin çıkması ile bazı türler 39-40 m kadar yüksekliğe ulaşabilir ve bu yüksekliğe ulaşmak içinde günde 100 cm kadar bir büyüme meydana gelmesi gerekir. Aynı zamanda yüzen pirinç ve derin sulardaki gövde büyümesi de oldukça ilginçtir. Örneğin Bangladeş ve Vietnam'da yetiştirilen yüzen pirinçlerde 4-5 günlük periyotta gövde büyüme hızı yaklaşık 30 cm kadar kaydedilmiştir. Bu yüzen pirinç gövdeleri 10 m kadar uzunlukta olabilir. Genç vejetatif gelişme esnasında taneli hububatlar, uzunca bir intemod meydana getirirler. Gövde uzaması, infloresensin oluşmaya başlamasıyla çok hızlanır. Bu, gövdelenme safhası olarak adlandırılır. Söz konusu infloresens, vejetatif gövde tarafından meydana getirilen son yapraktan oluşur. Bu yaprak tane meydana getirmeyen hububatlarda, bayrak yaprak olarak adlandırılır. Bayrak yapraktan infloresensin çıkışı esnasında, en son oluşan intemod pedinkül olarak adlandırılır. Bu taneli hububat gövdesinde gelişen en uzun ve en hızlı intemoddur. Tane meydana getiren hububatlarda gövdelenme safhası, gün uzunluğu ve giberellinler tarafından düzenlenir. Örneğin pirinçte gövdelenme kısa periyotlar tarafından uyarılır. 1981'de B. Kaufman, R. P. Pharis ve arkadaşları, yulafdaki giberellinlerin (GAj, GA4 ve GA7 ) çiçek durumu tarafından üretildiğini ve son oluşan iki yaprak ve noddaki giberellinlerle birlikte, gövdelenme esnasında intemodlardaki gövde uzamasını başlattıklarını kaydetmişlerdir. B. O. Phinney, resesif cüce mısır bitkileri (bu bitkilerde giberellin sentezleyen genler eksiktir) ile yaptığı denemelerde, bu bitkilere GA| uygulanmasıyla, söz konusu bitkilerin büyümelerinin normal bitkilerdeki gibi uyarıldığını bulmuştur. Cüce mutant bitkilerde, giberellin biyosentezinin çok erken safhada engellendiği gösterilmiştir. Gövde uzamasındaki düzenleyici mekanizmalarla ilgili en bariz örnek kışlık buğday ve çavdar bitkilerinde meydana gelir. Bu hububatlarda hızlı gövde uzaması ve çiçeklenme, sadece bitkilerin kış esnasında soğuk bir periyoda maruz kalmasından sonra gerçekleşir. Soğuk uygulaması, çiçeklenme ve gövde uzaması için zorunlu bir ihtiyaçtır ve vemalizasyon ihtiyacı olarak adlandırılır. Bu bitki tohumları ekildiği zaman veya toprağa düştüğü zaman kışı geçirebilen lateral tomurcuklar (gövde sürgünü) ve yapraklara sahip gövdeleri oluştururlar.



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE



TOHUMDAN MEYVALAKADAR GELİŞME 357



Gövde uzaması ve çiçeklenme, büyüme için uygun sıcaklıklar ve gün uzunluğunun meydana geldiği baharda hızlıdır. Bu bitkilerde çiçeklenme ve gövde uzaması için üşütme ihtiyacı yerine giberellin uygulaması da yapılabilir. Muhtemelen kış soğuğu esnasında gövdeler tarafından bol olarak doğal giberellinler üretilmektedir. Bu hormonlar, baharda gövdelerde çiçeklenme ve gövde uzamasını uyarmaktadır. İki Yıllık Bitkilerde Gövde Uzaması İki yıllık bitkiler (bienials bitkiler) çiçeklenmek için iki yıla ihtiyaç duyarlar. Kışlık çavdar ve buğdaya benzer olarak iki yıllık bitki gövdelerinin hızlı bir şekilde uzaması sonucunda çiçeklenme oluşur ve çiçeklenmek için kışın soğuğuna maruz bırakılmaları gerekir. Ayrıca her iki olay için soğuk periyodundan sonra uzun güne ihtiyaç duyulur. İki yıllık bitkilere örnek olarak havuç ( Daucuscarota), ve sığırkuyruğu ( thapsus) verilebilir (Şekil 17.5). Bu bitkilerde ilk büyüme sezonunda kısa ve iç içe girmiş intemodlar ve taç ya da rozet yapraklar oluşur, ikinci yılın kışında vemalizasyona maruz kalır ve ilkbaharda ise gövdeleri hızla büyüyerek, çiçeklerini açarlar. Kışlık çavdarda olduğu gibi bu bitkilerde de dıştan uygulanan giberellin vemalizasyon yerine geçer. Vemalizasyon, rozet gövdelerde aktif ve tabii giberellin seviyesinde artış meydana getirerek, ilkbahar ve yaz başında gövde uzaması ve çiçeklenme başlatılır. Bu sonuç, giberellinlerin vemalizasyonun yerine geçtiği fikrini destekler. Soğuk ihtiyacına sahip olan hububatlara zıt olarak (ki bu bitkilerde giberellin hücre uzamasını ve hızını artırarak sadece gövde uzamasına neden olmasına rağmen) iki yıllık bitkilerde hızlı gövde büyüme hızı, gövdenin subapikal kısmındaki hücre bölünmesi ve bölünme hızı artırılarak yerine getirilir. Odunsu Bitkilerde Gövde Uzaması Ilıman bölgelerde, büyümeye adapte olan odunsu bitkilerin tomurcukları, erken düşme ya da yazın sonunda dormansiye girme için genetiksel olarak programlanmışlardır. Çoğu bitkilerde tomurcuklardaki dormansinin başlamasına neden olan çevresel stres, kısa günün meydana gelmesidir. Kısa gün şartlarında içsel ABA seviyesi artar, içsel giberellin seviyesi ise azalır. Çünkü absisik asit genellikle büyümeyi inhibe eder, giberellinler ise büyümeyi başlatır. Yazın sonunda ve ilkbaharın başında gövde ve tomurcuklarda bu iki hormon



358



seviyesinde değişim meydana gelir. İlkbahar başında giberellinin hakim duruma geçmesiyle büyüme başlatılır. Yaz mevsimi sonunda ise ABA seviyesindeki artış, dokuları dormant durumuna geçirir. Ilıman bölgelerdeki bitkilerin tomurcuklarında dormansinin kırılması için kışın soğuk periyoduna ihtiyaç duyulur. Kış sonrası, gün uzunluğunun artması ve sıcaklığın yükselmesiyle, tomurcuklardaki ABA seviyesi azalır ve giberellin seviyesi artar. Böylece ilkbaharda büyüme için uygun koşullar oluştuğunda, tomurcukların dormansisi kırılır ve tomurcuklardan embriyonik dokular gelişmeye başlar. Genç gövde ucu ve yeni açılmış yapraklar tarafından üretilen giberellin ve çoğunlukla oksinler, uzayan fıdelerde uzama ve genişleme büyümesini de başlatırlar.



Şekil 17.5. a) Verbascum thapsus bitkisinin 1. yılı b) çiçeklenme meydana gelmiş 2. yılı (Kaufman’dan) Tropikal kuşaktaki odunsu bitkiler tek tip fotoperiyotlara adapte olmuşlardır. Burada uzun ve kısa gün devirlerinden ziyade ılık ve soğuk periyotlar bitki büyümesinde daha etkili olur. Böylece tropikal odunsu bitkilerin tomurcukları, kuraklık başlangıcı ile dormant olur ve nemli sezon gelince



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE



TOHUMDAN MEYVALAKADAR GELİŞME359



dormansileri kırılır. Bu bitkilerde tomurcuk dormansisi ve tomurcuk dormansi kırılmasının hormonal kontrolünün nasıl olduğu tam olarak anlaşılamamıştır.



YAPRAK GELİŞMESİ Bir yaprağın uzama, genişleme ve son durumu, bazı iç ve dış faktörler tarafından belirlenir. İç faktörler arasında genetik özellikler, tabii bitki hormonları, büyüme için gerekli maddeler, mineral maddeler ve su sayılabilir. Bu faktörlerin herbiri büyüyen bir yaprağın meristematik dokularındaki hücre bölünmesi ve uzamasının süresini, yoğunluğunu etkiler. Yaprak gelişimini etkileyen dış faktörler ise sıcaklık, ışık yoğunluğu, ışık süresi (fotoperiyot), ışık kalitesi (renk), sucul bir çevrenin varlığı veya yokluğudur. Burada bu faktörlerden bazılarının yaprak gelişimini nasıl etkiledikleri konusunda örnekler verilecektir. Hormonlar Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenmesi İlk örnek olarak, çim fide koleoptilleri verilebilir. Bunların büyümesini kontrol eden primer hormonlardan birisi oksindir. Oksin, koleoptil ucu tarafından serbest IAA olarak üretilir, ya da tohumdan vasküler sistem yolu ile bağlı IAA formunda yukarıya doğru taşınabilir. Serbest LAA, bağlı formdan ayrılarak vasküler sisteme geçer ve koleoptilin apikal kısmındaki parankima dokusuna girer. Apikal kısımdan, serbest IAA bazipetal olarak hareket eder ve uç kısmın aşağısındaki hücrelerde hücre uzamasını uyarır. Bu da koleoptilin uzamasına neden olur. Doğada koleoptilin bu şekilde yukarıya doğru genişlemesi, çimlenme esnasında topraktan büyüyen fıdelerde olduğu gibi koleoptilin içinde uzayan yaprakların korunmasında önemlidir. Koleoptilden aşağıya doğru hareket eden oksin, fidelerin bir yönden yüksek ışık yoğunluğuna maruz kalmasıyla gösterdiği pozitif fototropik eğilimde de oldukça önemli rol oynar. Oksinden başka diğer hormonlar da, yaprak gelişiminin düzenlenmesiyle ilgilidir. Sitokininler, epigeik çimlenmesi esnasında kotiledonların uzamasını başlatırlar. Giberellinler, çim gövdelerinden çıkan yapraklarda olduğu gibi yaprak ayasının katlanmasını başlatır ve genç yaprak ayalarının uzamasını ve ayrıca çimen yapraklarında km (kılıf) oluşumunu uyarırlar. Işık ve Karanlık Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenm esi Işık ve karanlığın, yaprak gelişimi üzerine etkili olduğu bulunmuştur. Karanlıkta büyütülen fideler etiol olarak adlandırılır. Etiol fidelerin intemodları



360



büyük ölçüde uzamış, yaprakların boyutları çok fazla indirgenmiş, küçük bir görünüme ve pul şeklindeki uzantılara sahip olup, klorofil pigmentleri parçalanmıştır. Aksine, ışıkta büyüyen bitki yaprakları, klorofil pigmentlerine sahip olup, karanlıkta büyüyen bitkilerden daha geniş yaprak alanına sahiptirler. Işık kalitesinin yaprak gelişimini etkilediği gösterilmiştir. Örneğin kırmızı ışık, hücre bölünmesi ve genişlemesini artırarak yaprak gelişmesini uyarır. Kırmızı ışığın bu etkisi, uzak kırmızı ışık tarafından tersine çevrilir. Yaprak genişlemesi üzerindeki bu etkiler, fitokrom aracılığıyla yerine getirilir. Hormonlar (özellikle oksin ve sitokininler) yaprak genişleme olayında önemli rol oynarlar. Kırmızı ışığın, sitokinin ve oksin sentezini artırarak etkili olduğu: hücrenin bu hormonlara duyarlılığını artırdığı ya da bir veya her iki hormonun bağlı fomlarının serbest bırakılmasına neden olduğu sanılmaktadır. Işık yoğunluğu da yaprak genişlemesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bir ormanda yaprak gölgesi altında veya kuzeyde kalan bir penceredeki bitkinin yaprak genişlemesi üzerine, düşük ışık yoğunluğunun etkisi önemlidir. Genellikle gölge koşullarına maruz kalan yaprakların, yüksek ışık yoğunluğu olan nişlerde veya tam güneşte büyüyen bitki yapraklarına oranla yüzey alanları çok büyüktür. Yine yaprakların renkleri kovu veşil ve birim yaprak alanı haşına daha fazla klorofile sahiptirler. Düşük ışıkta büyüyen yapraklar gölge yapraklSCyüksek ışıktaki yapraklar ise güneş yaprakları olarak adlandırılırlar. Nispeten geniş yüzey alanına sahip gölge yaprağı, küçük yapraklardan daha kullanışlı bir şekilde ışığı yakalar. Bu, yaprağın çevresel adaptasyonunu ifade eder. Yüzey alanı indirgenmiş, oldukça kalın ve yeşil renk yoğunluğu az olan güneş yaprakları, açık habitatlardaki mevcut yüksek ışık yoğunluklarında fotosentezi maksimum bir şekilde devam ettirmeye adapte olmuşlardır. Güneş yapraklarının kalınlığındaki artma, ekstra hücre tabakalarının ya da yaprağın palizat parankima dokularında uzun hücrelerin gelişmesine neden olur. Genetik Faktörler Tarafından Yaprak Gelişiminin Düzenlenm esi Çoğu bitkilerin genomunda yaprak şeklini düzenleyen genler vardır. Bu, fide safhasından reprodüktif safhaya (çiçek başlangıcı) geçişte meydana getirilen ardı sıra yapraklarda görülebileceği gibi birçok farklı bitki gövdelerinin vejetatif gelişmesi esnasında da görülebilir. Gövde gelişmesinde olduğu gibi yaprak şeklinde de kalıtsal değişiklikler gözlenebilir.



362



Yukarıda da kısaca değinildiği gibi angiospermlerde infloresens ya da çiçeklerin, gymnospermlerde ise kozalakların oluşmaya başlaması tohumlu bitkilerdeki gelişimin eşeyli üreme fazı başlangıcında ortaya çıkar. Çiçeklerin oluşmaya başlaması hakkında, kozalakların oluşmaya başlamasına oranla daha fazla bilgi vardır. Burada çiçeklerin nasıl oluştuğu, sıcaklık, hormonlar ve fotoperyot tarafından onun nasıl düzenlendiği üzerinde durulacaktır. Fotoperiyot Tarafından Çiçek Oluşumunun Düzenlenmesi Bir bitkinin günlük ışık ve karanlık periyotlarına karşı davranışları fotoperyodizma olarak tanımlanır. Bu davranışların en önemlisi çiçeklenmedir. Bu olayda, gerekli oransal aydınlık süre veya gün uzunluğuna fotoperiyot denir. Fotoperyodizmada, en az ışık süresi kadar, karanlık periyotların süresi de önemlidir (Şekil 17.6)



Şekil 17.6. Kısa ve uzun gün bitkilerinin çiçeklenmesinde fotoperiyodun etkisi. Kısa gün bitkilerinde önemli olan karanlık periyodun uzunluğudur. Kritik karanlık periyottan daha az bir karanlık uygulaması veya karanlık periyodun bir flaşla kesilmesi bu bitkilerin çiçeklenmesini engeller. Uzun gün bitkileri için ise önemli olan ışık periyodunun uzunluğudur. Kritik gün uzunluğundan daha az ışık verilmesi bu bitkilerin çiçeklenmesini önler, karanlık periyodun flaşla kesilmesi ise çiçeklenmeyi engellemez. Bitkiler, fotoperiyotlara gösterdikleri çiçeklenme cevaplarına göre kısa, uzun ve nötral gün bitkileri olmak üzere üçe ayrılırlar. Bitkilerin çoğunluğu, nötral gün bitkisi olup, yani kısa ve uzun gün periyotları çiçeklenmelerini uyarmaz. Bunlara örnek olarak domates, bezelye ve mısır verilebilir. Tropiklerde, ılıman bölgelerde olduğu gibi fotoperiyotlar değişmeyip; çoğu bitkiler nötral gün ya da uzun gün bitkisidir. Ilıman zonlarda değişen fotoperiyotlara adaptasyon olarak, birçok bitkinin ekotipi (farklı şartlar altında büyüyebilen aynı türün varyantları) gelişmiştir. Bunlar farklı enlemlerde ve



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE TOHUMDAN



YA KADAR GELİŞME



363



farklı periyotlarda yaşayabilen türlerdir. Örneğin Saskatoon ve Saskatchevvan enlemlerinde büyüyen pıtrak ( Xanthium ) bitkilerinde kuzey ekotipleri 18 saat veya daha az fotoperiyotlar altında çiçeklenirken, Mexico enlemlerinde büyüyen güney ekotipleri 14 saat veya daha az fotoperiyotlar esnasında çiçeklenmeye başlarlar. Bu cevap, pıtrak bitkisinin bir zararlı ot olarak farklı enlemlerde nasıl büyüdüğünü açıklar. Kısa gün bitkileri 24 saatlik periyodun yarısından fazlasını karanlıkta geçiren bitkiler değildir. Işık periyodu ne olursa olsun, belirli bir uzunlukta ışık verildiğinde çiçeklenmeyen bitkilerdir. Angiospermlerde kısa gün (ya da uzun gece) tarafından çiçeklenmenin başlatılması, 1924'de W. Gamer ve H. Allard tarafından tütün ve soya fasulyesi kültüvarlarında keşfedildi. Bu bitkiler kış aylarında suni ışıkla sağlanmış uzun periyotlar altında büyütüldüğü zaman vejetatif kaldıkları bulunmuştur. Fakat bu bitkilerin, seralarda tabii şartlar altında büyümelerine izin verilirse çiçeklenmelerinin uyarıldığı belirlenmiştir. Yaz ayı esnasında, eğer gün uzunluğu karanlık barakalara bitkilerin konulmasıyla 8 saate kadar kısaltılırsa bu bitkilerin çiçeklendiği görülmüştür. Bununla birlikte eğer bitkiler, yaz ayları sırasında meydana gelen uzun periyotlar altında dışarıya bırakılırsa vejetatif kaldıkları belirlenmiştir. Diğer kısa gün bitkileri arasında pirinç, Chyrsanthemum, yılbaşı çiçeği, Kalanchoe, Euphorbia heterophylla (sıcak memleketlerde çiçeklerinin altında kırmızı yaprakları olan bitki), pıtrak, Japon gündüz sefası sayılabilir. Bu kısa gün bitkileri arasında Chyrsanthemum, yılbaşı çiçeği, Kalanchoe ve E. heterophylla seralarda yetiştirilen önemli ticari bitkilerdir. Bu bitkiler yılın belirli zamanlarında çiçeklendiklerinden marketlerdeki üreticiler, onların çiçeklenmelerini uyarmak için onlara uygun fotoperiyotlar verirler. Bu bitkiler önce uzun periyotlar altında büyütülür ve çiçeklenmeleri için kısa periyotlara maruz bırakılırlar. Tabii olarak uzun güne sahip mevsimlerde kısa gün şartlarını elde etmek için öğleden önce 8 ve öğleden sonra 5 arasında bitkiler bir örtü ile kapatılır ve böylece 9 saatlik periyotlar elde edilir. Tabii olarak meydana gelen kısa gün mevsimlerinde, bitkiler suni ışıklandırmayla fotoperiyodun uzatılması ile vejetatif olarak kalabilirler. Çiçeklenme için uzun fotoperiyotlara ihtiyaç duyan bitkilere örnek olarak; ıspanak, arpa, buğday, yulaf, çok yıllık çavdar, lahana, yonca, dere otu, bamya (amber çiçeği) ve petunya (boruçiçeği) verilebilir. Bitkilerde fotoperiyot uyartısının yapraklar tarafından alındığı ve uyartıyı alan yapraklarda oluşan



364



etmenlerin vejetasyon noktasına taşınıp, orada etki göstererek çiçek taslaklarının belirmesine neden oldukları bildirilmiştir. Böyle bir durumda bazı bitkilerde tek bir yaprağın fotoperiyot uyartısını alması yeterlidir. Kısa ve uzun gün bitkilerinde çiçeklenmeyi uyarma mekanizması henüz tam olarak bilinmemektedir. Bununla birlikte bu olayın başlatıcı hormonlar ve inhibitörler arasındaki bir ilişki ile ilgili olması muhtemeldir. Kısa gün bitkilerinde çiçeklenme başlangıcının uyarılmasındaki hormonal ilişki, aşağıda belirtilen denemelerle desteklenmektedir. Kısa gün bitkisi olan pıtrağın bir olgun yaprağı kısa bir fotoperiyoda maruz bırakılıp, bitkinin diğer yaprak ve kısımları uzun bir fotoperiyodda bırakılırsa, bu bitkilerin çiçek açtığı görülmüştür (Şekil 17.7).



Şekil 17.7. a) Uzun gün şartlarında büyütülün bir pıtrak bitkisinin bir yaprağına kısa gün peryotu uygulandı, b) Bu uygulamanın bitkide çiçeklenmeyi başlattığı görüldü (Kaufman’dan) Diğer taraftan, eğer kısa fotoperiyot muamelesi yapılmış pıtrak bitkisinin bir dalı, uzun bir fotoperiyot muamelesi yapılmış bir pıtrak bitkisine aşılanırsa, aşılanan bitkinin çiçeklenmesinin uyarıldığı bulunmuştur (Şekil 17.8). Bu denemeler; ışık tarafından uyarılan bitki ya da gövdenin bu kısmından bazı maddelerin, bitkinin diğer kısımlarındaki gövde uçlarına taşınarak çiçek primordiyumlannın büyümelerini uyardığını ortaya koymuştur. Bu maddelere genel bir isim olarak florigen denir. Florigenin yapısı henüz açıklanamamıştır.



BÖLÜM 1 7 BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMA YA KADAR GELİŞME



365



Son yıllarda, çiçeklenme uyarılmasının hem inhibitörler hem de uyarıcılarla ilgili olduğu gösterilmiştir.



Çiçeklenme Üzerine Işık Kalitesinin Etkisi Işığın niteliği de çiçeklenmede fizyolojik öneme sahiptir. Bitkilerin çiçeklenmesinde en etkin bölgenin 650-660 nm dalga boyları arasında olduğu gösterilmiştir. 420-500 nm arasındaki mavi bölge ise çiçeklenmede çok az etkilidir. Fotoperiyodik çiçeklenme cevaplarındaki reseptör, fîtokromdur.



366



Uzun gün bitkilerine, kısa bir karanlık periyodun ortasında, kısa bir kırmızı ışık verilirse (yaklaşık 5 dk.) çiçeklenme meydana gelir. Uzak kırmızı ışık verilirse çiçeklenme önlenir. Uzun bir karanlık periyodun ortasında, kısa bir periyot kırmızı ışık verilmesi kısa gün bitkilerinde çiçeklenmeyi önler; uzak kırmızı ışık verilmesi ise çiçeklenmeyi uyarır. Burada ışığın verilme zamanı da önemlidir (Şekil 17.9). Çünkü kırmızı ya da uzak kırmızı ışığın etkisi, eğer karanlık periyodun ortasında verilirse maksimum, eğer karanlık periyodun sonunda ya da başlangıcında verilirse minimumdur.



Şekil. 17.9. Kısa ve uzun gün bitkilerinde kırmızı (R) ve uzak kırmızı (FR) ışığın çiçeklenme üzerine etkisi. Kısa gün bitkilerinde karanlık periyodun kırmızı ışıkla kesilmesi çiçeklenmeyi engellerken, uzun gün bitkilerinde uyarır. Münavebeli ışık uygulamalarında son uygulanan ışık, uzak kırmızı ise kısa gün bitkilerinde çiçeklenme meydana gelirken, uzun gün bitkilerinde çiçek oluşmaz. Hormonlar ve Sıcaklık Tarafından Çiçek Oluşumunun Düzenlenmesi Bütün iki yıllık bitkiler, kış buğdayı ve kış çavdan çiçeklenme için sadece uzun güne ihtiyaç duymaz, a^ıı zamanda uzun fotoperiyot öncesi bir soğuk periyoduna (vemalizasyö*jWa ihtiyaç duyar. Örneğin; kışlık tahıllar, sonbaharda değil de ilkbaharda ekilirse, bitkiler vejetatiR evrede kalır, başak oluşturmazlar. Giberellinler sadece gövde uzamasını ckgğıl, bitkilerde çiçeklenmeyi de uyarır. İki yıllık bitkilerde hızlı gövde büyüme^>çiçeklenme ve tohum oluşumu dıştan uygulanan (ekzogenik) GA tarafından '•uyarılır. Üreticiler lahana ve havuç gibi bitkilerde giberellin muamelesi ile vemalizasyonu aşabilirler. Böylece bitkiler ikinci yıl yerine ilk yılda tohum



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMA YA KADAR GELİŞME



367



oluşumu, çiçeklenme ve hızlı gövde büyümesi için güç kazanırlar. Bu zaman bakımından avantaj sağlar, kışın depolama problemini ortadan kaldırır, ayrıca bitkileri enfekte ederek hastalığa neden olan patojenlerin enfeksiyonlarında azalma sağlar. Birçok bitkinin ancak soğuk bir dönem geçirdikten sonra çiçek açabildiği belirlenmiştir. Bitkilerin çiçeklenebilmeleri için düşük ve yüksek sıcaklık dönemlerine olan ihtiyaçları termoperyodizma olarak adlandırılır. Öte yandan, çiçeklenme için bitkileri farklı gelişim evrelerinde (tohum veya vegetatif aşamada) soğuk etkisine uğratma işlemine vernalizasyon denir. Vemalizasyon etkisinin yüksek sıcaklık ile ortadan kaldırılması da devernalizasyon olarak adlandırılır. Bir bitkinin vemalizasyona duyarlı olduğu devre bitki türünden türüne değişir. Bu duruma göre, çiçek oluşumunun uyarılması için bazı bitkilerde çimlenme sırasında embriyoların, bazı bitkilerde ise fide veya daha gelişmiş bitki organlarının soğuk etkisine maruz bırakılmasına gerek olduğu ortaya konmuştur. Örneğin hububatlar, tohumların çimlenmesi sırasında vemalize edilebilirken, Brassica oleraceae var. gemmifera 'da yaklaşık 30 yaprak olması gerekir. Bitkide vemalizasyon uyartısını alan yapı, bitkinin büyüyen uç kısımları ya da bitki içerisinde bölünen hücreleri ihtiva eden bir bölgedir. Yapılan çeşitli denemeler sonucu vejetasyon konisince alınan vemalizasyon uyartısının, bitkide taşındığı bulunmuştur. Hatta hormonal özellikte fakat yapısı belirlenememiş bu madde için vernalin adı da kullanılmıştır. Çiçek oluşumunun başlayabilmesi için, soğuk peryodun etki süresi bitki türlerine göre değişir. Çoğu kez 7-11 günlük soğuk uygulanması çiçeklenme için yeterli bulunmuştur. Ayrıca vemalizasyon sıcaklığı da türlere göre değişir. Genellikle en etkin uyartı sıcaklığı 1-7 °C arasında değişir. Bu konuda yapılan çalışmalarla vemalizasyonun etki mekanizması ile ilgili olarak şu şema ileri sürülmüştür (Şekil 17.10). Vemalinin bir giberellin olduğu düşünülür. Çünkü yukarıda da belirtildiği gibi giberellinler vemalizasyon yerine geçebilir. Ayrıca vemalizasyon bazı bitkilerde giberellin sentezini de artırmaktadır. Bu dummun yanlızca, uzun gün bitkileri için geçerli oluşu, vemalinin giberellin olması konusunda kuşkulara yol açmıştır.



368



Vemalin sentezi çiçeklenme için yeterli değildir. Bundan sonra bitkinin uygun bir fotoperyodu da alması gerekir. Böylece vemalin florigene dönüşerek bitkide çiçeklenme meydana gelebilir. Vemalizasyon Vemalizasyon Uygun fotoperyot A maddesi-------- t b maddesi-----►C maddesi ---------► Florigen (öncü) (kararsız) (kararlı) Vemalin (Giberellin?) ▼ D maddesi



n>



Şekil 17.10. Vemalizasyonun ileri sürülen mekanizması Hormonlar tarafından çiçeklenmenin düzenlenmesinde çok ilginç durumlardan birisi de Bromeliaceae familyasında meydana gelir. Bu familya üyeleri, vejetatif bitkilerin etilenle veya naftalen asetik asit (NAA) gibi sentetik oksinle muamele edilmesi ile çiçeklenme uyarılabilir. NAA, bitkilerde etilen üretimini başlatır, o da sırasıyla çiçeklenmeyi uyarır. Primer çiçeklenmeyi uyaran hormon etilendir. Ananasın (Bromeliaceae fam.) ticari olarak üretilmesinde, erken çiçeklenmeyi uyarmak için sentetik oksinle muamele edilmesi gerekir. Çiçek endüstrisinde kullanılan Bromeliaceae familyasına ait çiçekli bitkilere ihtiyaç duyulduğu zaman (vejetatif bitkilerin çiçeklenmesini sağlamak için) vejetatif bitkiler etilen ihtiva eden bileşiklerle (etefon) muamele edilir. İkinci ve yine ilginç bir durum kozalaklı bitkilerde (Gymnospermae) kozalak gelişiminin hormonal düzenlenmesi ile ilgilidir. R. Pharis ve arkadaşları, Cupressus arilonica, Sequoia semperuirens, Thuja plicata ağaçlarını GAı ya da GA3 ve uzun fotoperiyodlarla muamele etmişler, onların erken yani bir ya da iki yaşındaki fidelerinde erkek ve dişi kozalakların meydana geldiğini görmüşlerdir. Diğer taraftan Pinus sp. ve Picea glauca fıdeleri GA4 ve GA7 ile uzun fotoperiyodlarda muamele edilirse, erken kozalak gelişimi uyarılır. S. Ross, GA4-GA7 karışımı ile genç Picea glauca'y\ muamele etti ve onlara iki kültürel uygulama yaptı. Bu uygulamalardan birisi su stresi (katlanmaya yol açan ve bitkide su eksikliğini uyaran su kaybı olayları) ve diğeri kalsiyum nitrat gübrelemesidir. Bu bileşikle muamele, erkek ve dişi kozalak meydana getiren ağaçlarda erken kozalak gelişimine neden olmuştur. Bu şekilde reprodüktif yolun gelişme anahtarını kontrol etme yeteneği oldukça



BÖLÜM 1 7 BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMA YA KADAR GELİŞME



369



büyük bir başarıdır. Çünkü bazı ağaçlar üzerinde erkek ve dişi kozalakların oluşumu için bir ya da iki 10 yıllık bir bekleme periyoduna ihtiyaç vardır. Bu durum yukarıdaki muamelelerle aşılır. Bu yol ağaçlarla uğraşan genetikçilere, yeni ağaçların ıslah ve tozlaştırılma çalışmalarında da avantajlar sağlar. ÇİÇEKLERDE ERKEK VE DİŞİ ORGAN GELİŞİM İ Angiospermlerde çiçekler oluşmaya başladığı zaman, stamenler (andrekeumlar) ve karpeller (ginekeumlar) gelişmeye başlar. Genellikle giberellinler, stamen gelişmesini başlatırken; oksin, sitokinin ve bazı durumlarda etilen, karpel gelişimini başlatır. Bu sonuç, bu hormonların bir veya daha fazlasının var olduğu veya yok olduğu bir kültür ortamından izole edilen bitki kısımlarının ya da çiçek tomurcuklarının büyümesi ile veya sağlam bitkiler üzerindeki çiçeklerin bu hormonlarla muamele edilmesi ile belirlenmiştir. Hormonlar tarafından bu tip düzenlemenin pratik bir uygulaması olarak, giberellinler sadece stamenlere sahip olan çiçeklerin değişimini başlatmak için kullanılmaktadır. Bu şekilde yetiştirilen çiçekler, bitki ıslahında polen vericileri olarak tercih edilmektedir. Örneğin, bu teknikler mısırda steril erkek çiçekli bitkiler üretmek için kullanılmaktadır. Bu iki teknik, bitki ıslahında fazlaca uygulanmaktadır. Diğer bir uygulama ise bahçe bitkilerinde kullanılmaktadır. Şöyle ki ovaryum genişlemesine neden olan bazı hormonlar kullanılarak meyve gelişimi başlatılmaktadır. Hormonal olarak uyarılan meyve oluşumu, tohumsuzluğa yol açar ve bu tohumsuz meyveler partenokarpik meyve (döllenmeksizin meyve üretimi) olarak adlandırılır. Sentetik oksinler bu amaç için kullanılır (özellikle domateslerde). Tek evcikli olan kabak ve salatalıkta da, aynı şekilde bitki üzerinde dişi ve erkek çiçeklere sahiptirler. Etilen ve sitokinin, bu bitkilerde dişi çiçeklerin gelişimini başlatmak için kullanılmaktadır.



MEYVE GELİŞİMİ Meyve gelişimi; polinizasyondan meyve olgunlaşmasına kadar devam eden bir ovaryum büyümesidir. Hormonlar Tarafından Ovaryum Gelişiminin Düzenlenm esi Ovüllerde embriyo ve endosperm gelişirken, ovülleri kuşatan ovaryum dokuları büyür ve genişler. Bu genişleme etkili bir polinizasyon tarafından



370



başlatılır. Etkisiz polinizasyon, birbirine uymayan polen tarafından tozlaştırılan ya da tozlaştırılmayan çiçeklere denir. Bu çiçekler gelişmeyin düşerler. Meyve ağaçlarında da aşırı derecede çiçek geliştiği zaman, çiçek absisyonu meydana gelir. Bu tabii ve kendi kendine bir seyrekleşme olayıdır. Başlangıçta ovaryumda meydana gelen şişme polenlerde üretilen oksin tarafından meydana getirilir. Bu olay ilk olarak Charles Danvin tarafından keşfedildi. Danvin orkide stigmalan üzerine koyduğu orkide polenlerinin ovaryumda şişmeyi başlattığını gösterdi. Polenlerde üretilen oksin, stigma, stilus ve ovaryum dokularına bazipetal olarak difüze olur ve orada hücre bölünmesi ve hücre genişlemesini uyarır. Polenlerde üretilen oksin tükendiği zaman, ovaryumun büyüyen ovülleri tarafından oksin üretilir. Bu tip oksin uygulamalarından birisi de, domates çiçek kümelerinde gelişen meyve sayısını artırmak için ticari sentetik oksin (örneğin futran) kullanılmasıdır. Bunların meyveleri olgunlukta tohumsuz olur yani partenokarptır. Ayrıca sentetik oksinler, Haziran düşüşü olarak isimlendirilen bitkinin kendi kendine seyreklenmesini önlemek için meyvelerin erken gelişimi sırasında ağaçlara püskürtülür.



Meyve Olgunlaşması Meyveler tam boyutlarına ulaştıkları zaman meyve olgunlaşması başlar. Bu olay, dışta meyvenin en dış tabakasındaki pigmentasyondaki değişmelerle, içte ise çözülen bileşik formlarında artma ve etilen üretiminin en yüksek seviyeye ulaşması ile anlaşılır. Olgunlaşan meyvelerde etilen^ûluşumundaki artma genellikle önce meydana gelir ve klimakterik olarak adlandırılan solunum hızında artış meydana getirir. Bu nedenle etilen meyve olgunlaştırırıcıjıormon olarak adlandırılır. Bu etilen üretimi ve solunum hızındaki artış meyvenin yumuşamasına yol açan bir seri bozulum olayının meydana gelmesini sağlar. Bu yumuşama prosesi bazı hücre hidrolazlarının (özellikle pektinaz ve selülaz) aktivitelerindeki artma ile başlatılır (Şekil 17.11). Meyvenin etli tabaka hücrelerinde depolanan besin maddeleri (nişasta, protein ve lipidler), tedrici olarak yıkılır. Daha önce de belirtildiği gibi, meyve olgunlaşması ile ilgili bozulum prosesleri (örneğin elmada olduğu gibi), azalan sıcaklık, azalan oksijen ve düşen solunumla ve meyveler tarafından meydana getirilen etilenin önemli derecede baskı altına alınmasıyla engellenebilir.



BÖLÜM 17 BİTKİLERDE TOHUMDAN MEYVALANMA YA KADAR GELİŞME



371



Meyve olgunlaşması ile ilgili değişmeler çok sayıda ve komplekstir. Meyve olgunlaşmasındaki değişmeler henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Bu değişmeler, hayvanlara meyveleri daha lezzetli olarak sunmak ve böylece tohumların yayılışını kolaylaştırmak için özel bir senesens şekli olarak kabul edilebilir. Yukarıda da vurgulandığı gibi meyvelerde çnk hari? olan olgunlaşma değişimleri şunlardır: Doku yumuşaması, depo bileşiklerinin hidrolizi, lezzet ve pigmentasyonda ve solunum hızındaki değişimlerdir. Etli meyvelerin olgunlaşması sırasında solunum hızında meydana gelen değişimleri esas olarak 2 sınıfa ayırabiliriz. Birinci grupdaki elma, armut, rrfuz) avocadO (perse) ve mango gibi meyvalarda, olgunlaşma devam ettikçe meydana gelen solunumdaki azalışı, büyük bir artış takip eder. Daha sonra son bir azalma ile meyve olgunlaşması tamamlanır. Solunumdaki bu artış daha önceden de belirtildiği gibi klimakterik solunum olarak adlandırılır. Bu olaya sahip meyveler de klimakterik meyve olarak adlandırılır. Klimakterik solunumun, siyanit dayanıklı solunum ile ilgili olduğu düşünülmektedir. Diğer grup, klimakterik olmayan meyveler olarak bilinir. Bunlar da ikiye ayrılır: 1)olgunlaşma esnasında hemen hemen sabit bir solunuma sahip olanlar (limon, portakal ve incir meyveleri gibi), 2)olgunlaşma esnasında solunumda azalma meydana gelenler (biber gibi). Bu konuyla ilgili olarak olgunlaşmayı başlatan etilen hormonu hakkında ilginç sonuçlar elde edilmiştir. Dıştan tatbik edilen etilen, sadece klimakterik olmayan meyve olgunlaşmasını uyarmaz, aynı zamanda solunum klimakterisini de uyarır. Solunum hızında etilen tarafından meydana getirilen artışın nasıl uyarıldığı tam olarak anlaşılamamıştır. Etilene cevap olarak meyveler arasında önemli varyasyonlar mevcuttur. Etli meyvelerin çoğunda, olgunlaşma meydana gelmeden önce hücrede üç kat



372



etilen (karnuzumsu m fy',piprH|a 3 pp™ ) mpvr'.ı.ıttıır Bu etilen, meyve tarafından sentezlenir. Etli meyvelerin çoğunluğu, bu seviyedeki etilen ile olgunlaşır, bazıları ise (avacado ve mangolar) bu etilen seviyesine ulaşamazlar. Böylece olgunlaşmadan önce hasat edilmek zorundadırlar. Bu ikinci durumda, ana bitkiye meyve bağlı kaldığı sürede meyvelerde bir etilen inhibitörünün olduğu farzedilmekte, meyvenin koparılması ile bu inhibitör tedrici olarak kaybolmaktadır. Bu inhibitörün yapısı ise bilinmemektedir. Gerçekte böyle bir inhibitör olmayıp, inhibisyon diğer hormonların bir interaksiyonundan da kaynaklanabilir. Diğer bazı meyvelerde ise (örneğin muzlarda), olgunlaşmamış meyvelerde, olgunlaşma durumundaki kadar etilen bulunmakla beraber, meyve olgunlaşıncaya kadar buna duyarsız kalır. Bazı bir yıllık kültür meyvelerinde (domates ve karpuzumsu meyveler gibi) etilen üretimi ve olgunlaşma, bitkinin üzerinde meyvenin kalışı veya hasat edilmesini içine alan belirli bir fizyolojik periyottan sonra meydana gelir.



)



B Ö LÜ M 1 8



FOTOMORFOGENEZİS Karanlıkta yetiştirilen fideler soluk bir görünüme sahiptirler. Bu tip bitkiler etiol olarak adlandırılır. Etiol fıdelerin görünümü ışıkta büyüyenlerden farklıdır. Fotosentezin bitki metabolizmasındaki anahtar rolü düşünüldüğünde, bitkinin görünümdeki bu zıtlıkların çoğu, metabolik enerjinin elde edilmesindeki farklılıklara bağlıdır. Bununla birlikte etiol bir bitkiyi yeşile dönüştürmek için çok az ışığa ve zamana ihtiyaç vardır. Karanlıkta büyütülmüş fıdeye küçük bir ışık flaşı uygulanmasından 10 dakika içerisinde gövde uzama oranındaki, kanca açılmasındaki ve yeşil bitkilerin karakteristik pigmentlerinin sentezindeki farklılığı ölçmek mümkündür. Işık, fıdelerin toprak altından toprak yüzeyine çıkması sırasında meydana gelen büyüme değişimlerini de uyarır. Bu esnada fideler klorofil ihtiva etmediğinden fotosentezin bu dönüşümde herhangi bir rolü olamaz. Karanlıkta yetiştirilen bitkiler, ışıklı bir ortama alındığında etiol özellikler ortadan kalkmaya başlar. Bu olay deetilasyon olarak adlandırılır. Deetiolasyon için fotosenteze ihtiyaç duyulur, fakat ilk hızlı değişimler, fotomorfogenezis olarak adlandırılan, tamamen farklı bir ışık cevabı tarafından uyarılır. Bitkilerde fotomorfogenetik cevapları kolaylaştırabilen değişik pigmentler mevcut olup, en önemlileri, mavi ve kırmızı ışığı absorblayan pigmentlerdir. Bu pigmentlerden en önemlisi fitokromlardır. FİTOKROM UN FOTOKİM YASAL VE BİYOKİM YASAL ÖZELLİKLERİ Bitkilerde kırmızı ışık tarafından teşvik edilen çeşitli morfogenetik cevapların meydana geldiği 1930’lardan beri bilinmesine rağmen, bu yıllarda fıtokrom tanımlanamamış ve ancak 1959 yılında yapısı aydınlatılarak fîtokrom



374



olarak adlandırılmıştır. Fitokrom cevaplarının sayısı oldukça fazladır ve yeşil bitkilerin hayatının her evresinde bu cevaplar gözlenebilir (Tablo 18.1). Tablo 18.1.Çeşitli Bitkilerdeki Fitokrom Cevapları Grup



Cins



Gelişme safhası



Pfr etkileri



Angiosperm



L a c t u c a



tohum



çimlenmeyi uyanr



(marul) A v e n a (yulaf)



fide (etiol)



S in a p is ( h a r d a \ )



fide



deetilasyonu uyarır (yaprak kıvrılmalarının açılması) primer yaprak gelişmesi ve yaprak primordiyum oluşumunun başlatılması



yetişkin



intemod uzamasının inhibisyonu



X a n t h iu m



yetişkin



Gymnosperm



(pıtrak) P i n u s (çam)



fide



çiçeklenmenin inhibisyonu (fotoperyodik cevap) klorofil birikim hızını artırır



Pteridophyta



O n o c le a



genç gametofıt



büyümeyi başlatır



Bryophyta



P o ly t r ic h u m



sporlu safha



plastid çoğalmasını uyarır



Chlorophyta



M



olgun gametofît



zayıf ışık yönünde kloroplast orientasyonunu başlatır



P is u m



(



bezelye)



o u g e o t ia



Fitokromun tarihindeki en önemli konu, kırmızı ışığın (650-680 nm) morfogenezis üzerindeki etkilerinin, daha uzun dalga boylu uzak kırmızı ışıkla (710-740 nm) tersine çevrilebildiğinin keşfidir. Fitokromun kırmızı/uzak kırmızı ışık dönüşümü (fotoreversibl), ilk kez marul tohumlarının çimlenmesi olayında gözlenmiştir. Kırmızı ışık çimlenmeyi teşvik ederken, kırmızı ışıktan hemen sonra verilen uzak kırmızı ışık, kırmızı ışığın etkilerini tersine dönüştürmüş ve çimlenme engellenmiştir (Şekil 18.1). Yani bu fotoreseptör, kırmızı ve uzak kırmızı ışık muamelelerinden sonra kendi absorbsiyon özelliklerini (renk değişimi) değiştirebilmektedir.



375



BÖLÜM 18 FOTOMORFOGENEStS



Fitokromun



İki



Formu



Birbirine



Dönüşebilir



(Fotoreversibil)



Özelliktedir Işıklandırılmamış bitkilerde fitokrom, Pr olarak bilinen, kırmızı ışık absorblayan formda bulunur. Mavi renkli bu form kırmızı ışık tarafından, maviyeşil renkli uzak kırmızı ışık absorblayan Pff olarak bilinen forma dönüştürülür. Pfr formu, uzak kırmızı ışık tarafından Pr’e geri dönüştürülebilir (Şekil 18.2). Kimim ışık(Güneş ışığıl



Fizyolojik cevaplar "(çiçeklenme vs.)



Uzak-kırmm ışık Karanlıkta yavaş donuşûm



Şekil 18.2. Fitokromun formları. Fitokromun Pr formu spektrumun uzak kırmızı bölgesinde çok az absorbsiyon gösterir, fakat kırmızı bölgede Pr ve Pfr’nin absorbsiyon spektrumları önemli ölçüde benzerdir (Şekil 18.3). Çünkü kırmızı ışık, her iki form tarafından absorblamr. Pr moleküllerine kırmızı ışık verildiğinde, Pr ışığın çoğunluğunu absorblayarak Pfr’ye, fakat bazı Pfr molekülleri de uzak kırmızı ışığı absorblayarak yeniden Pr’ye dönüşür. 666



300



400



500



600



700



800



Dalga boyu (nm)



Şekil 18.3. Fitokromun Pr (kesikli çizgiler) ve Pfr (devamlı çizgiler) formlarının absorbsiyon spektrumlarmın fitokrom formu ile çakışması. Çoğunlukla Pfr Fizyolojik Olarak A ktif Form dur Fitokrom cevapları, kırmızı ışık tarafından teşvik edildiği için; teorik olarak cevaplar Pfr’nin ortaya çıkmasından ya da Pr’nin kaybolmasından kaynaklanır. Çalışılan çoğu durumlarda, ışık tarafından oluşturulan Pff



376



miktarıyla cevabın büyüklüğü arasında bir ilişki bulunurken, Pr ile böyle bir ilişki belirlenememiştir. Bu veriler, Pfr’nin çoğu durumlarda fıtokromun fizyolojik olarak aktif formu olduğu sonucuna yol açar. Fitokrom cevabının Pfr miktarıyla ilişkili olmadığının gösterildiği durumlarda, Pfr ve Pr arasındaki oranın, cevabın büyüklüğünü belirlediği ileri sürülmüştür. Pfr M iktarı Değişik Faktörlerle Kontrol Edilir Işık, Pfr’nin ortaya çıkışını ya da kayboluşunu düzenleyen tek faktör değildir. Hem in vivo hem de in vitro olarak bazı bitkilerin Pfr’leri karanlıkta karanlık dönüşümü olarak adlandırılan bir reaksiyonla, kendiliğinden Pr’ye dönüşebilir. Bu reaksiyonun gerçekleşme oranı, sıcaklık, pH ve belirli kimyasallar (özellikle indirgen ajanlar) tarafından büyük ölçüde hızlandırılır. Çavdar ve yulaf gibi hububatların sürgünlerinden elde edilen fıtokromun, proteazlar tarafından kısmen parçalanmasıyla karanlık dönüşümü gerçekleşir. Bazı bitkilerde in vivo olarak gözlenen Pfr’nin bu karanlık dönüşümü, kısmi proteolize bağlanır. Karanlık dönüşümüne ve yıkımına ilaveten fitokrom seviyesi sentez oranıyla da düzenlenebilir. Fitokrom karanlıkta Pr formunda sentezlenir. Pr’yi Pfr’ye dönüştüren ve böylece yıkımını hızlandıran aynı ışık uyartısı, ayrıca onun sentezini de azaltır (Şekil 18.4).



Fitokrom, kromofor ve protein olmak üzere iki kısımdan oluşur. Fitokromun kromofor kısmı açık zicirli bir tetrapirol olup, fıtokromun protein kısmına tioeter bağı ile kovalent bağlanır. Pr ve Pfr kromoforlarında esas olarak rezonans çift bağlarının sayısı bakımından farklılık görülür (Şekil 18.5).



377



BÖLÜM 18 FO TOMOR FOGENES İS



Fitokromların bitkideki yerleşimi ile ilgili çalışmalar da yapılmış olup, daha çok fitokromların meristematik bölgelerde toplandığı belirlenmiştir (Şekil



18.6).



FİTOKROM CEVAPLARI



TARAFINDAN



TEŞVİK



EDİLEN



BİTKİ



Fitokrom teşvikli cevaplar, hızlı biyokimyasal olaylar, hareket ve büyümeyi içeren daha yavaş morfolojik olaylar olmak üzere gruplandırılabilir. Biyokimyasal cevapların bazıları daha sonraki morfolojik cevapları etkileyebilir. Fitokromun ışıkla aktivasyonunun morfolojik cevapları birkaç dakika kadar kısa süreli bir bekleme fazından (lag fazı) sonra gözlenebilir. Bu hareketlerin daha hızlısı genellikle organellerin dönüşebilir hareketler ya da



BÖLÜM İS FOTOMORFOGENESİS



379



(Şekil 18.7). Bu hareketler, yaprakların tabanındaki motor hücrelerin içerisine ve dışına günlük iyon akımlarının ritmik olarak giriş-çıkışıdır. Pulvinus olarak adlandırılan yapıdaki hücrelerin genişlemesi ve daralması yaprakların aşağı ve yukarı hareketlerini kontrol eder. Ritimlerin moleküler temellerinin, bir seviyeye kadar iyonların ya da metabolitlerin, hücrenin sitoplazmasına ya da organellerine düzenli giriş ve çıkışlarıyla ilgili olduğuna dair fazlaca kanıt vardır. Işık hem bitkilerde hem de hayvanlarda ritimlerin güçlü bir ayarlayıcısıdır. Kontrollü laboratuar koşullarında circadian ritimleri 24 saatten daha kısa veya 24 saatten bir veya daha fazla saat süreli periyotlara sahipken, doğada ritimler gün ışıması sırasında ışığın etkilerinden dolayı 24 saate çok yakındır.



FİTOKROM UN



HÜCRESEL



VE



M O LEKÜLER



ÇALIŞM A



ŞEKLİ Bitkilerde fitokrom tarafından düzenlenen tüm değişiklikler pigment tarafından ışığın absorbsiyonuyla başlar. Absorbe edilen ışık, bir organın pozisyonunda, büyümesinde, gelişmesinde değişikliğe sebep olan hücresel reaksiyonları uyararak fitokromun moleküler özelliklerini değiştirir. Böylesine birbirine bağlı olaylar transdüksiyon dizisi olarak adlandırılır. Fitokrom



380



etkilerinin çeşitli açıklamalarından akla yatkın hipotezler ortaya atılmıştır. Bu hipotezlerden birisine göre; çoğu cevaplar, membranlarda fıtokromun membranda uyardığı değişikliklerden kaynaklanır. Fotosentez ve hayvanlardaki görme gibi iyi bilinen ışık transdüksiyon yolları membran aracılığı ile gerçekleşir. Fitokromun membran fonksiyonlarını tekrar tekrar düzenlediği gösterilmiştir. Fakat membran özelliklerini nasıl değiştirdiği halen tartışma konusudur. Membran özelliklerindeki fitokrom aracılığıyla oluşturulan değişikliklerin fotomorfogenezisi düzenleyebileceğine ilişkin kanıtlar sonraki iki alt bölümde özetlenecektir. Fitokrom M em branlarla Etkileşebilir Pfr’nin biyolojik membranlara bağlandığına dair in vitro deliller vardır. Kırmızı ışıkla ışıklandırılmış yulaf sürgünlerinden izole edilen mitokondrilerle ilişkili büyük miktarlarda fitokrom (Pfr) tespit edilmiştir. Oysa ki ışıklandırılmamış bitkilerden elde edilen mitokondrilerde fitokrom tespit edilememiştir. Fitokromun membran fonksiyonlarını düzenlediği hipotezini destekleyen çok sayıda veri vardır. En inandırıcı deliller, plazma membranmm elektrik potansiyelinin hızla ışıkla dönüşebilirliğini gösteren sonuçlardır. Bu şekildeki değişim doğrudan hücrelerde ölçülmüş ve ayrıca kırmızı ve uzakkırmızı ışığın, köklerin ve yulaf koleoptillerinin yüzey potansiyeline hızlı etkileri kaydedilmiştir. Pfr’nin üretimi ve ölçülebilir potansiyel değişiklikleri arasındaki lag peryodu, organizmadan organizmaya değişir. Hücrelerin biyoelektrik potansiyelindeki değişiklikler plazma membranmda iyonların akışındaki değişiklikleri ifade eder. Fitokrom Ca+2’nin yulaf hücrelerinin içine ve dışına akışını değiştirir ve daha uzun bir lag fazıyla bazı iyonların diğer hücrelerde akışını teşvik eder. Fitokromun membran fonksiyonlarını düzenlediğini işaret eden in vivo veriler, Mimosa, Albizzia, Samanea ve diğer legümenlerde yaprak ve yaprakçık hareketlerinin ışıkla düzenlenmesini gösteren sonuçlardır. Circadian ritimleri ile ilgili olarak yukarıda gördüğümüz hareketler, yaprak ve yaprakçıklarm tabanında yer alan pulvinus motor hücrelerinin seçici şişme ve büzülmelerinden kaynaklanır. Sırasıyla şişme ve büzülme hücrelere iyonların, özellikle potasyumun hızlı giriş ve çıkışıyla düzenlenir. Fitokrom bu iyon (tuz) hareketlerini,



muhtemelen



etkileyerek düzenler.



taşman



iyonlara



membranm



permeabilitesini



BÖLÜM 18



FOTOMOR



381



Fitokrom tarafından H+, K+ ve Ca+2 akımlarının düzenlendiği rapor edilmiştir. Kalsiyum ve Kalmodulin Bazı Pfr Cevaplarına Aracılık Edebilir Bitki hormonlarıyla ilgili bölümde tartışıldığı gibi kalsiyumun hayvan hücrelerinin duyusal cevaplarının düzenlenmesinde önemli olduğu uzun zamandan beri bilinmektedir. Bitkilerin çevresel değişikliklere cevaplarının düzenlenmesindeki rolü değerlendirilmiştir. Bu yüzden kalsiyumun bitkilerin ışığa cevabındaki rolünü incelemek en iyi yaklaşımdır. Hayvan ve bitki hücrelerinde Ca+2 tarafından düzenlenen cevaplar, genellikle Ca+2-bağlayıcı bir proteine ihtiyaç duyar. Bu Ca+2 ve bağlayıcı protein kompleksi söz konusu cevapları başlatır. Bitkilerde ve hayvanlarda böyle birkaç protein vardır, fakat en iyi bilineni kalmodulindir (Şekil 18.8). kırm ızı ışık



Kalmodulinin tüm bitki ve hayvan hücrelerinde küçük Ca konsantrasyon değişimlerini, önemli fizyolojik cevaplara dönüştürücü olarak görev yaptığı bilinmektedir. Ca+2’e yüksek ilgi gösteren 4 yerin biri veya daha fazlası bu iyonla doyduğunda kalmodulinde konformasyonel değişiklikler olur ve hücredeki çok sayıdaki düzenleyici enzime bağlanabilen ve onları uyaran



382



aktif form oluşur. Bu enzimlerin tümü bitkilerde çeşitli metabolik aktivitelerin düzenlenmesinde önemli rollere sahiptirler. Kalmodulin hem sitoplazmada hem de nukleus, mitokondri ve plastidlerde bulunur. Kalsiyuma yüksek ilgisinden dolayı kalmodulin ve kontrol ettiği hedef enzimler, hücrenin alt birimlerindeki çok küçük Ca+2 değişiklikleriyle aktive edilebilirler. Ca+2’in fitokrom cevaplarına nasıl aracılık edebildiğine ilişkin bir model; (1) Pfr’nin bir ya da daha fazla hücre altı kompartmanla Ca+2 konsantrasyonunda bir artış sağladığını, (2) bazı Pfr teşvikli enzimlerin kalmodulinle uyanlabileceğini, (3) kalmodulin inhibitörlerinin bazı kırmızı ışık teşvikli cevaplara müdahale edebileceğini ileri sürmektedir. Model ayrıca; Ca+2’in hücrelere alımmını teşvik eden iyonoforlar olarak bilinen kimyasal ajanlarla bazı fitokrom cevaplarının karanlıkta teşvik edilebileceğini t



açıklamaktadır. Sitoplazmik Ca+2 konsantrasyonunun kısa süreli artışının Pfr tarafından uyarılmasının (1) kalmodulin aktivasyonunu, (2) kalmodulin kontrollü Ca+2ATPaz'ın uyarılmasını, (3) ışıklandırılmış hücrelerin çeperlerinde Ca+2 konsantrasyonunun artırılmasını ve (4) hücre uzama oranlarını azaltmasını teşvik etmesi beklenebilir (Şekil 18.9). Bu model, belirgin bir şekilde tahmine dayalı olup, Pfr teşvikli Ca+2 akımlarının nasıl Pfr teşvikli büyüme değişikliklerine yol açtığını göstermeye yardım eder.



BÖLÜM 18 FOTOMORFOGENESİS



383



Fitokrom Gen Transkripsiyonunu Düzenler Fotomorfogenezis terimi bitki gelişiminin ışıktan etkilendiğini ifade ettiği için etiolasyon özellikleri ince, güçsüz ve uzun gövdeler, dikotiledonlarda küçük yapraklar ve klorofil yokluğu gibi tanımları ihtiva eder. Bu belirtilerin ışıkla tamamen tersine dönüşü, yalnızca gen ekspirasyonundaki değişikliklerle neden olunabilecek metabolizmadaki önemli uzun vadeli değişiklikleri içerir. Tarihsel olarak fıtokromun morfogenezisi gen ekspirasyonunun düzenlenmesiyle kontrol ettiği hipotezi, fıtokromun membran özelliklerini etkilediği hipotezinden daha önce ileri sürülmüştür. Birinin kontrolüne diğerinin düzenlenmesiyle mi aracılık edildiği yoksa ikisinin etki şeklinin birbirinden bağımsız mı olduğu konusu henüz açık değildir. Gen ekspirasyonunun ışıkla düzenlenmesi çalışmaları, Rubisco’nun küçük alt ünitesini (SSU) ve fotosistem II kompleksiyle ilişkili klorofil a/b proteinini (LHCP) kodlayan nüklear genler üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu iki protein, kloroplast gelişiminde ve yeşillenmede önemli role sahiptir. Bunların, fitokrom tarafından düzenlenmeleri detaylı çalışılmıştır. Bu proteinlerin her ikisinin genleri (sırasıyla rbcS ve cab) genomda çoklu kopyalar halinde bulunurlar, yani multigen ailesine mensupturlar (Şekil 18.10).



384



Kısaca bu modelde kırmızı ışık Pr’nin Pfr’e dönüşümüne neden olur. Pfr ya doğrudan ya da dolaylı olarak (Ca+2 ve kalmodulin yoluyla), bir ya da daha fazla düzenleyici proteini aktive eder (Fitokromun kendisi DNA-bağlanma aktivitesine sahip değildir). Aktive edilmiş protein ya da proteinler daha sonra LRE sıralarına ya da diğer potansiyel düzenleyici bölgelere bağlanırlar ve Şekilde (Şekil 18.10) gösterildiği gibi gen transkripsiyonunu uyarırlar. Çoğu fıtokrom teşvikli genlerin bu temel kontrol biçimini gösterdikleri sanılmaktadır. Fitokrom Kendi Gen Ekspirasyonunu da Düzenler Fitokrom bir multigen ailesi tarafından kodlanır (örneğin yulaf nüklear genomu en az dört fitokrom geni içerir). Pr, kırmızı ışık tarafından Pfr’e dönüştürüldüğünde sabit olan fitokrom mRNA seviyesinde 7,5 dakikada azalma olur. Bu azalmanın, transkripsiyon oranındaki hızlı bir düşüşten kaynaklandığı gösterilmiştir. Bu çalışmalar fitokrom genlerinin kendi kendine düzenlendiğini desteklemektedir. Önceki bölümde belirtildiği gibi karanlıkta yetiştirilen bitkilerin aydınlık bir ortama aktarıldıklarında, toplam fıtokromdaki hızlı düşüşün fitokrom gen ekspirasyonunun baskılanmasmdan kaynaklandığı muhtemeldir.



BÖLÜM 1 9



BİTKİLERDE HAREKET Bitkiler hayvanlar gibi aktif hareket yeteneğine sahip olmamakla birlikte, bir takım hareketlere sahiptirler. Bitkilerin canlı doku ve organlarında görülen hareketler, temelde iki ana grupta toplanır. a) Yerdeğişim hareketleri b) Durum değişim hareketleri



YERDEĞİŞİM HAREKETLERİ AM ÖBO İK HAREKETLER Bu tip hareket özellikle cıvık mantarlarda görülür. Bunların sitoplazmaları değişik çapta ve dallanmış kanallı bir ağ yapısındadır. Organizmanın hareket mekanizmasını, sitoplazmadaki miyozine benzer bir proteinin periyodik olarak kasılıp-gevşemesi oluşturur. PROTOPLAZM A HAREKETLERİ Bunlar rotasyon ve sirkülasyon hareketleridir. Protoplazmanın bu hareketlerinde ışık, sıcaklık ve kimyasal maddeler gibi etmenler uyarıcı rol oynarlar. Bu hareketlerde, söz konusu faktörlerin etkisi ile protoplazma vizkositesinde meydana gelen değişimlerin rol oynadığı kabul edilir. Rotasyon ve sirkülasyon hareketlerinde, sitoplazma ile birlikte hücre organellerinin ve hatta nukleusun da yer değiştirdiği görülür. TAKSİSLER (GÖÇÜM HAREKETLERİ) Genellikle tek hücreli ve koloni oluşturan bazı çok hücreli organizmaların çeşitli etmenlerin uyartısı ile oluşturdukları etkin yerdeğişimi hareketlerine taksis adı verilir. Taksisler, ışık ve bazı kimyasal maddelerin etkisiyle belirli yönlerde gerçekleşir. Bu nedenle taksisler uyartı etmenine göre adlandırılırlar. Örneğin kimyasal uyartı ile oluşana kemotaksis, ışık etkisi ile oluşana fototaksis adı verilir.



386



DURUM DEĞİŞİMİ HAREKETLERİ Yüksek bitkilerin büyük çoğunluğu kökleriyle yaşadıkları ortama bağlanmış olduklarından, yerdeğişimi 'değil, durum değişimi hareketleri yapabilirler. Bu hareketlerin de biyolojik amaçlara yönelik olduğu görülmüştür. Kural olarak bitkiler, yaşama ortamından en iyi şekilde yararlanmak ve onun uyartılarına karşı durumlarını ayarlayabilmek amacıyla çok çeşitli durum değişimi hareketleri yaparlar. Bu hareketler iki grupta toplanır. a) Asimetrik büyümenin neden olduğu durum değişimi hareketlerine büyüme hareketleri (nutasyonal hareketler) denir. b) Turgor asimetrilerinin neden olduğu durum değişimi hareketlerine ise turgor hareketleri (variyasyonal hareketler) denir. Diğer taraftan, ister büyüme asimetrileri ile isterse turgor asimetrisi ile oluşsun, bir düzlemde kıvrılma şeklinde beliren bu hareketler, uyartıya karşı gösterdikleri davranışa göre iki ana grupta İncelenmektedir: 1) Uyartı yönüne bağımlı durum değişimi hareketlerine tropizma adı verilir. 2) Uyartı yönüne bağımlı olmayan durum değişimi hareketlerine nastiler denir.



TROPİZMALAR Bunlar genellikle uyartının geliş yönüne bağımlı olarak büyüme asimetrileri sonucunda görülen yönelim hareketleridir. Uyartı yönüne doğru olan tropistik hareketlere pozitif tropizma, uyartıdan kaçış şeklindekilere ise negatif tropizma adı verilir. En önemlileri ışık etkisi ile oluşan fototropizma, yerçekimi uyartısı ile oluşan geotropizmadır. Bitkilerde iki düzlemde beliren büyüme hareketlerine gelince, bunların arasında sarılma (törziyon) hareketleriyle, gövde ucunun bir eksen etrafında daireler çizerek büyümesi demek olan sirkumnutasyon hareketleri sayılabilir. Bu tür hareketlerde de, bitki hormonları ve diğer etmenler etkinliğinde, organın farklı kesimleri arasında beliren büyüme asimetrileri rol oynamaktadır. Fototropizma Fidelerin ve yaşlı vejetatif gövdelerin bir kenarı diğer kenarından daha yüksek bir ışık yoğunluğunda bırakılırsa (bir evin penceresinde olduğu gibi) gövdeler ışık yoğunluğunun daha fazla olduğu tarafa doğru büyür. Bu cevap, pozitif fototropizma olarak adlandırılır. Pozitif geotropizma bitkiler için çok önemlidir. Çünkü bu durum gövde intemodlarının ve yaprakların daha etkili bir ışık aliminim sağlar ve böylece fotosentez daha yüksek bir hızla devam eder. Buna bağlı olarak, orman ağaçlarının gölgesi altında kalan bütün genç



BÖLÜM 19 BİTKİLERDE HAREKET



387



yaprakların ve birçok asmanın gölgedeki açıklıklara hatta orman zeminine sızan yüksek ışık yoğunluğuna doğru niçin yöneldiklerini açıklar. Bitki gövdeleri daima pozitif fototropizma göstermezler. Philodendron ve Monstera gibi belirli bitkilerin tropikal yağmur ormanlarında çimlendiği ve gölgelik alanlara doğru büyüdüğü kaydedilmiştir. Bu negatif fototropizma cevabı, büyüme için destek sağlama amacıyla ağaç gövdelerine sarılan (hava kökleri) veya büyüyen asmalar için de söz konusudur. Bu bitkiler, orman ağaçlarının en üst kısmına ulaştığı zaman, pozitif fototropizma gösterirler. Ray ve arkadaşları, deneysel olarak da tropikal asma fıdelerindeki negatif fototropik cevapları test ettiler ve bu cevabı skototropizma (yunanca skotos= karanlık) olarak adlandırdılar. Fototropik yönelme ilk olarak 1800'lü yıllarda Phalaris canariensis fidelerinde Charles Darwin ve Francis Darwin tarafından keşfedildi. Bu araştırıcıların yaptığı denemeler, ışığın koleoptil ucunda bir madde geçişin sağlandığını göstermiştir. Çünkü koleoptil ucu kesildiği zaman, fototropik yönelme meydana gelmemiştir. Diğer araştırıcılar ışık tarafından geçişi sağlanan bir maddenin, lateral olarak koleoptilin ışıklandırılmış kenarından gölge kenarına doğru hareket ettiğini ve orada dokuların fazlaca uzamasına neden olduğunu ileri sürmüşlerdir(Şekil 19.1).



Şekil 19.1. Yulaf fidelerinde pozitif fototropik cevap, a) karanlıkta çimlenmiş yulaf fidesi (5 günlük), b) Tek yönlü ışığa maruz bırakılmış ve fototropik eğilim meydana gelmiş, c) Uç kısım uzaklaştırılmış fakat yine tek yönlü ışığa maruz bırakılmış, d) Fidenin uç kısmına dikey bir mika konulmuş ve yine tekyönlü ışığa maruz bırakılmış e) Koleoptilin uç kısmı kesilerek, cam bir lamelle ikiye ayrılmış ağar bloku üzerine konulmuş ve hormonun ağar bloklarına geçişi belirtilmiştir (Kaufman’dan)



388



Fototropizma Olayına Oksinlerin Yeniden Lateral Dağılım ı Aracılık Eder F.Went, oksitlin koleoptil ucu tarafından sentezlediğini, eğer koleoptil ucu bir ağar bloğu üzerine konulursa, daha fazla oksinin ışıklandırılmış kenardan diğer kenara (gölge) geçtiğini göstermiştir (Şekil 19.2). Bu cevabın esası 1926'da ileri sürülen Cholodony-Went teorisi ile açıklandı. Bu teoriye göre ışık; eşit olmayan ışıklandırma yapılan koleoptilin, ışıklandırılmış kenarından gölge kenarına oksinin lateral taşımmına neden olur ve orada gölgedeki kenar hücrelerinde uzamayı uyarır ve sonuç olarak pozitif bir fototropik eğilme cevabı meydana getirir. Bu görüş daha sonraları radyoaktif oksin (C14-IAA) denemeleri ile de desteklenmiştir. Aynı zamanda 1957'de W. Briggs ışığın, ışık alan kenar üzerindeki oksin sentezini azaltmadığını veya yıkımını uyarmadığını göstermiştir. Bu konu üzerinde tartışma mevcut olup tersini ileri süren araştırıcılar da mevcuttur.



Şekil 19.2. Mısır koleoptillerinde eşit olmayan ışık tarafından uyarılan oksinin yeniden lateral dağılımı Fototropizma sadece gövdenin uç kısmında meydana gelmez. Aynı zamanda bitkinin yaprak ve köklerinde de olabilir. Fakat yaprak ve köklerdeki mekanizması daha karışıktır. Örneğin bu organlarda fototropik olarak aktif ışığın alınımı iki farklı fotoreseptörle ilgilidir. Bunlardan birisi mavi ışık



390



oksinden daha önemli olduğunu göstermiştir. Mısır bitkisinin kökleriyle yapılan çalışmalar, geotropizma olayında ABA'nın rol oynadığını göstermiştir. Burada ABA kök şapkasında sentezlenmekte ve bazipetal bir yönde vasküler dokularla taşınmaktadır. Kök yatay olarak tutulduğu zaman, ABA yerçekimi etkisi ile alt kenara çekilir ve bu kenarın büyümesini inhibe eder. Kökün üst kenarının büyümesi inhibe edilmediğinden kök aşağı doğru asimetrik olarak büyür. Bu konu ile ilgili elde edilen deliller şunlardır: l)kök şapkasının kaldırılması, yukarıda belirtilen yerçekiminin etkisi ile meydana gelen olayları durdurur. 2)kökün şapkasının yarısının uzaklaştırılması, kalan yarı kenara doğru bir eğilme meydana getirir. 3)ABA kök şapkasından ekstrakte edilmiş ve orada sentezlendiği belirlenmiştir. 4)ABA'nın kök yüzeyine 10_8-l O4 M konsantrasyonlarda uygulanması büyümenin inhibisyonuna neden olmuştur. 5)ABA'nm kökün iki yüzeyine asimetrik (farklı konsantrasyonlarda) uygulanması, uygulanan kenar yönünde bir eğilim meydana getirir. Fototropizmaya benzer olarak gövdedeki geotropizmanm, oksinlerin yeniden dağılımıyla meydana geldiği belirlenmiştir. Bitkilerde yerçekimi uyartısının alınmasının, hücre içerisinde serbest hareket eden cisimlerin hareketiyle ilgili olduğu ileri sürülmüştür. Yerçekimine karşı duyarlı bitki hücrelerine statosit, yerçekimine duyarlı cisimlere statolit denir. Statolitlerin modifıye olmuş plastidler olan amiloplastlar içerisindeki nişasta granülleri olabileceği tahmin edilmektedir. Amiloplastlar, statositler içerisinde hücrenin alt kısmına doğru çökelme meydana getirerek yerçekimi yönünün belirlenmesinde bitkiye yardımcı olurlar. Amiloplastlar kök uçlarında bulunurlar (Şekil 19.3). Plazma membranma yakın ER’ler ile amiloplastlarm birleşmesi oksin taşımınım yönetir. Bu olayda statolitlerin rolü henüz tam olarak bilinmemektedir. Plazma membranı üzerine amiloplastlarm baskısı, yerçekimine maruz kalmış hücrelerde bir elektriksel potansiyel oluşturur ve bu potansiyel yardımıyla oksinlerin bir kısmı lateral olarak taşınır. Diğer teoriler, yerçekimi tarafından uyarılan oksinin yeniden dağılımıyla ilgilidir. a) Horizontal koleoptillerin alt kenarında bağlı oksinlerin serbest oksinlere dönüşümünün uyarılması, b) İntrasellular kısımlarda serbest oksin oluşumu,



BÖLÜM 19 BİTKİLERDE HAREKET



391



c)Alt kenar üzerinde oksinlerin merkezi silindirden kortekse geçişinin artırılması (merkezi silindir kortekse oranla daha fazla miktarda serbest oksin ihtiva eder.)



Gövdede Geotropizma Köklerdeki amiloplastlara benzer şekilde cevap veren kloroplastlar ise fidelerin hipokotillerinde çimlerin şişen yaprak kınlarında (yaprak kını pulvinusları) mevcut olup, bunların çim gövdelerindeki negatif yerçekimi eğilim yerleri oldukları belirlenmiştir.Genç fidelerin büyüyen kısımları aynen apeks kısmında olduğu gibi yerçekimini tanıma yeteneğindedir (büyüyen kısımların hepsi yerçekimini tanımaz). Horizontal bir pozisyondaki bir fıdenin büyüme zonunun üst kenarındaki periferal hücrelerdeki oksin miktarında hızlı bir azalma görülür. Serbest oksinin bu yeniden dağılımı yerçekimine cevap veren hücrelerle veya yerçekimi uyartısını alan hücreler ile sağlanır. Oksinin yeniden dağılım mekanizması bilinmemektedir. Bununla beraber lateral oksin taşmımıyla ilgili olabileceği ileri sürülmüştür. Koleoptillerde yerçekimi cevabı horizontal bir koleoptilin üst kenarındaki büyüme hızında azalma, alt kenarındaki büyüme hızında ise artma sonucunda meydana gelir. Yapılan radyoaktif çalışmalarla yerçekimi uyartısına maruz bırakılmış koleoptillerde oksinin eşit olmayan bu lateral dağılımı belirlenmiştir.



392



İlk yapılan çalışmalara göre koleoptil uç kısmı yerçekimini tanıma görevi yapıyordu. Fakat daha sonra yapılan denemelerde koleoptillerin uç kısımlarının kaldırılması sonucunda kalan kısımda da yerçekimine cevabın meydana geldiği ve lateral oksin dağılımının devam ettiği bulunmuştur. Dolayısıyla uç kısmın yerçekimini tanımada tek yapı olmadığı bulunmuştur. 1988 yılında Hasenstein ve Evans, geotropizma ile ilgili olarak aşağıdaki şekilde (Şekil 19.4) ifade edilen modeli ileri sürmüştür. Bazı bitkilerde kalsiyum iyonlarının (Ca 2+) IAA taşımını için gerekli olduğu bilinmektedir. Yatay olarak bırakılan köklerde, yer çekimine duyarlı organellerin (amiloplastlar) LAA ve kalsiyumun aşağıya doğru taşmımını etkilediği, aynı zamanda kalsiyumun da IAA taşmımını artırarak, alt kısımda büyüme inhibisyonuna neden olduğu ve kökün yerçekimi istikametine yöneldiğini kaydetmişlerdir.



Şekil 19.4. Köklerde geotropizma sırasında oksin ve kalsiyumun tekrar yerleşmeleri.a) IAA gövdeden sentezlenir ve vasküler yolla köke taşınır. Kök dikey olduğunda statolitler kök şapkasının bazal kısmında toplanır. Kalsiyum iyonları ve IAA simetrik ve lateral olarak yayılarak, korteks içerisinden uzama zonuna taşınır ve orada kökün uzamasına neden olur, b) Yatay bırakılmış kökte statolitler kök şapkasının kenarına yönelir ve kök şapkasının alt yarısına IAA ve kalsiyumun polar taşmımını başlatırlar. IAA bazipetal olarak kortekse taşınır ve yüksek konsantrasyonundan dolayı alt kısmın büyümesini inhibe eder ve kök aşağıya doğru büyür.



393



BÖLÜM 19 BİTKİLERDE HAREKET



NASTİLER Nasti hareketleri, büyüme ve turgor asimetrileri ile meydana gelen nastiler olmak üzere ikiye ayrılır. Büyüme Asim etrisi ile Oluşan Nastiler Eğer organın alt bölümlerindeki büyüme daha fazla ise, organ yukarı doğru kıvrılır ve buna hiponasti denir. Tersine üst kısımdaki büyüme fazla ise, çoğu yaprak ve dalda olduğu gibi, organ aşağıya doğru kıvrılır ki, buna epinasti adı verilir. Yaprak saplarında epinastiye yol açan hormonun etilen olduğu ve dıştan uygulanan oksinin de etilen oluşumunu sağlayarak epinasti meydana getirdiği belirlenmiştir. Tulipa (lale) ve Crocus (safran) türleri ile gece çiçek açan Jasminum (yasemin) türleri ve diğer bazı bitkilerin çiçek petallerinin fotonastik ve termonastik açılıp-kapanma hareketleri de tipik nastilerdir. Durum değişimi sağlayan bu nastik hareketlerinde, petallerin iki yüzü arasında, ışık ve sıcaklık gibi doğal gece-gündüz periyoduyla değişen endojen ritimler önemli rol oynar. Turgor Asimetrisi ile Oluşan Nastiler Dönüşümlü biçimde oluşan bu nastik hareketlerde asıl etmen, büyüme asimetrisi değil, dorsiventral organdaki hücrelerin su ilişkilerine bağımlı turgor değişimleridir. Bunlardan en iyi bilinenleri niktinasti ve tigmonasti hareketleridir. Niktinastik hareketler, bazı bitkilerde biyolojik saat denilen ve tam açıklanamamış, zaman ayarlayıcı bir mekanizma tarafından kontrol edilen ritmik uyku hareketleridir. Örneğin, akasya ağaçlarının pinnat yapraklarını oluşturan yaprakçıklarm, gece-gündüz ritmiyle açılıp-kapanma şeklindeki davranışlarında niktinasti hareketlerini gözlemek mümkündür. Bu bitkide pinnat yaprağın yaprakçıklarında



gece kapanma, gündüz açılma şeklinde



beliren niktinasti, yaprakçığm kaidesinde ve her iki tarafında bulunan pulvinus (yastıkcık) adı verilen yapıdaki hücrelerin turgor değişimi ile denetlenmektedir. Gündüz dış kısımda bulunan pulvinus su alarak şişer, içteki ise su yitirerek büzülür (turgor kaybı) ve yaprakçıklar açılır. Gece, bu durumun tersi cereyan eder. Bu su alış verişinin, pulvinus hücrelerine osmotik potansiyelli K+ ve Cl~ iyonlarının ritmik giriş çıkışlarının, içsel etmenlerle ve otonom şekilde sağlanmasıyla ilgili oldukları anlaşılmıştır. Diğer taraftan, fasulye Edelerinin primer yapraklarının gece-gündüz ritmik konum değişimleri de niktinastiyi incelemede tipik bir örnektir.



394



Tigmonastik (dokunma) ve sismonastik (sarsıntı) hareketleri ise, Dionea muscipulata ve özellikle Mimosa pudica (küstüm otu)'da ayrıntılı şekilde incelenmiştir (Şekil 19.5). Herhangi bir uyartı verildiğinde, Mimosa bileşik yapraklarının önce yaprakçıkları, sonra da yaprakların kendisi hızla kapanır. Tek bir yaprak uyarıldığında bile, bu uyartı tüm bitkiye yayılıp davranış oluşturmaktadır. Bu hareketlerde de, yaprak ve yaprakçıklarda bulunan pulvinus hücrelerine K+ iyonu giriş-çıkışına bağlı olarak meydana gelen asimetrik turgor kaybı veya kazanımlannın rol oynadığı kabul edilmektedir. Hareketin, bitki yapraklarına konan zararlı böcekleri ürkütücü rolü vardır. Bir böcek kapan bitki olan Dionea'da. ise dokunun uyartısı aya üzerindeki tüyler ile alınmakta ve ayanın iki parçası birbiri üzerine kenetlenmektedir. Bu ve daha değişik tigmonastik hareketler ile böcekçil bitkilerin azot ihtiyaçlarını karşıladıkları daha önce belirtilmişti (bak Bölüm 6).



BÖLÜM 2 0



SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ Bitkiler büyüme ve gelişmede direkt olarak herhangi bir fonksiyonu olmayan büyük ve farklı sayıda organik bileşikler üretirler. Bu maddeler sekonder ürün, sekonder bileşik veya sekonder metabolit (ikincil) olarak adlandırılır. Klorofiller, aminoasitler, nükleikasitler ve basit karbohidratlar gibi primer metabolitlerden farklı olarak, sekonder ürünlerin asimilasyon, solunum, transport ve farklılaşma aşamalarında genel bir rollerinin olmadığı bilinmektedir. Sekonder ürünler bitkiler aleminde sınırlı bir dağılıma sahip olmalarıyla da primer metabolitlerden farklılık gösterirler. Yani özel sekonder ürünler genellikle sadece bir bitki türünde ya da taksonomik olarak birbirleriyle ilişkili türlerde bulunmaktadır. Oysa primer metabolitler bitkiler aleminin tümünde bulunur. Sekonder metabolitlerin, diğer bir deyişle doğal ürünlerin, sayı ve yapı itibarı ile çok büyük çeşitlilikte üretilmeleri yüksek bitkilere has özelliklerden birisidir. Önceleri bu ürünler, bitkiler tarafından oluşturulan ve hiçbir işlevi olmayan artık maddeler olarak kabul edilmekteydi. Ancak daha sonra bu metabolitlerin; savunma, korunma, ortama uyum, hayatta kalma ve nesillerini sürdürmek için bitkiler tarafından geliştirilmiş oldukça karmaşık mekanizmaların ürünleri olduğu anlaşılmıştır. Sekonder Bitki Ürünlerinin Esas Fonksiyonu H erbivor ve Patojen Saldırılarına Karşı Bitkileri Korumaktır Yıllardan beri çoğu sekonder ürünün önemi bilinmemekte idi. Yukarıda vurgulandığı gibi bu bileşiklerin metabolizmanın fonksiyonel olmayan basit ürünleri veya metabolik atıklar olduğu düşünülüyordu. 19. ve 20. yüzyılın



396



başlarında yapılan çalışmalar doğal ürünler olarak adlandırılan bu maddelerin drog, zehir, lezzet artırıcı ve endüstriyel materyal olarak kullanılabileceklerini göstermiştir. 1960’lı yılların başında, birçok sekonder ürünün bitkilerde önemli ekolojik fonksiyonlara sahip olduğu gösterilmiştir. Bu fonksiyonların esası mikropların neden olduğu enfeksiyonlara ve herbivorlara karşı bitkileri korumaktır. Aynı zamanda, sekonder ürünlerin aynı ortamda yaşayan bitkilerin ilişkilerinde (allelopati), hayvanlar ve polenatörler için cezbedici olarak hizmet gördükleri belirlenmiştir. Biyosentetik Kriterler Baz Alınarak Sekonder Ürünler Üç Ana Grupta Toplanabilir Bitkisel sekonder ürünler biyosentez şekline göre terpenler, fenolikler ve azot ihtiva eden bileşikler olmak üzere üç gruba ayrılabilirler. Şekil 20.1’de sekonder ürünlerin biyosentezi ile ilgili yolları ve onların primer metabolizma



Şekil 20.1. Sekonder bitki ürünlerinin genel sentez yollan.



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



397



ile ilgili ilişkileri gösterilmiştir. Terpenler mevalonik asit yoluyla Asetil CoA’dan sentezlenen lipitlerdir. Fenolik bileşikler çeşitli yollarla şikimik asit yolu veya malonik asit yolu ile meydana gelen aromatik maddelerdir. Azot ihtiva eden sekonder ürünler (alkaloidler) ise primer olarak aminoasitlerden sentezlenir.



1.TERPENLER (TERPEN OİDLER) Terpenler veya terpenoidler sekonder bitki ürünlerinin en büyük sınıfıdır. Bu sınıfta bulunan farklı maddeler genellikle suda çözünmez ve biyosentetik orijinleri tektir. Bütün terpenler izopren olarak adlandırılan 5 karbonlu bileşiklerden türevlenirler. Böylece bütün terpenler izoprenoidler olarak da bilinir.



Terpenlerin büyük bir çoğunluğu büyüme ve gelişmede çok özel fonksiyonlara sahiptir. Bundan dolayı terpenler, sekonder metabolitten ziyade primer metabolit olarak düşünülebilir. Örneğin, bir sesquiterpen, absisik asidin öncül maddesidir. Ayrıca, diterpen olan ent-kauren, giberellik asidin sentezinde bir ara bileşiktir. Bilindiği gibi giberelik asit ve absisik asit önemli iki bitki hormonudur. Diğer taraftan steroidler triterpen türevi olup, fosfolipidlerle ilişki kurarak hücre membranında kararlı bir yapı sağlarlar. Ayrıca, kırmızı, portakal ve sarı renkli karotenoidler fotooksidasyondan fotosentetik dokuları koruyan ve fotosentezde aksesuar birim olarak görev yapan tetraterpenlerdir. Bunlara ilave olarak, uzun zincirli politerpen alkoller glikoprotein sentezi ve hücre çeperinde şekerlerin taşıyıcısı olarak görev yaparlar. Ayrıca terpenlerden türevlenen zincirler (klorofilin fıtol zinciri gibi) membrandaki belirli moleküllerin tutulmasına yardım ederler. Kısaca birçok terpen, bitkilerde önemli primer rollere sahiptir. Bununla birlikte bitkisel terpenlerin bir kısmı savunma ile ilgili olan sekonder metabolitlerdir. Ayrıca mono ve sesquiterpenler allelopatik rollere (allelopati, bir bitkinin diğer bir bitkinin gelişimini etkilemesidir) sahiptirler. Steroller ise bitkisel membranlarda yerleşmiş olup muhtemelen hayvansal membranlardaki kolestrole benzer bir göreve sahiptirler. Şöyle ki



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



401



violoksantin, 5,8-epoksi-(3-karotendir. Bunlara ilave olarak neoksantin ve alloksantinler de sayılabilir. Politerpenler Politerpenler bitkilerde meydana gelen yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerdir. Bunun en iyi bilinen çeşidi kauçuk olup, 1500 ile 15000 izopentil birimi ihtiva eden bir polimerdir. İzopentil birimlerindeki bütün C=C bağları konfıgürasyonundadır. Kauçuk birçok bitkide (yaklaşık 30 angiosperm cinsinde) bulunur, fakat ticari olarak en önemlisi Hevea brasiliensis (kauçuk ağacı) dır. Kauçuk ağaçlarında kauçuk lateks olarak adlandırılan sütsü sıvı içerisinde süspanse olmuş küçük partiküller olarak bulunur. Aynı zamanda, laktiferler olarak adlandırılan uzun borular içerisinde muhafaza edilirler. Malezya’da özel kauçuk ağacı klonlan geliştirilerek yılda hektar başına yaklaşık 3700 sterlinlik kauçuk üretilmektedir. Zamk, kauçuktan daha düşük molekül ağırlığına sahip bir trans -1,4poliizoprendir. Malezya’daki Palaquium ağaçlarının çeşitli türleri tarafından üretilir. Zamk lateksi kauçuk latesinden farklı olup ağaçların hasar görmesiyle oluşur. Zamk termoplastik bir bileşiktir. 65 °C’den aşağıdaki sıcaklıklarda sert, inelastik fakat 65 °C ’den yukarı sıcaklıklarda yumuşak ve elastik yapıdadır. Sakız, çiğnenen sakızların esası Achras sapota bitkisinden kaynaklanmaktadır. Sakız aseton içerisinde çözünebilir. Reçinelerle birlikte nispeten düşük molekül ağırlıklı cis ve trans -1,4-poliizoprenoidlerin karışımından oluşur. Bir asiklik diterpenoid alkol olan fitolun, klorofile ester bağı ile bağlandığı uzun zamandan beri bilinmektedir. Daha sonraları çok uzun serbest polipirenollerin bitki dokularında mevcut olduğu da saptanmıştır. Örneğin tütün yapraklarından izole edilen solanesol ve nonapirenol 45 C’ludur. Bazı polipirenollerin ise metabolik olarak aktif olan birçok kinona (örneğin plastokinon, ubikinon ve fıllokinon (vitamin Kı) gibi) bağlandıkları bilinmektedir.



2. AZOT İHTİVA EDEN BİLEŞİKLER Bitki sekonder ürünlerinin büyük bir çeşidinin yapısında azot bulunur. Bu kategoride bulunanlar antiherbivor savunucu olarak bilinen alkaloidler ve siyanojenik glikozitlerdir. Bunlar insanlar için toksik olmalarından ve tıbbi



402



özelliklerinden dolayı çok ilginç bileşiklerdir. Çoğu azotlu sekonder ürünler genel aminoasitlerden sentezlenirler. Alkaloidler, vasküler bitkilerin % 20-30’unda bulunan organik azot ihtiva eden bileşiklerdir. Çoğu alkaloidler adlarından da anlaşılacağı gibi alkalin yani bazik özelliktedirler. Sitozoldeki (pH yaklaşık 7’dir) yada vakuoldeki (pH 5-6) pH değerlerinde bu azot atomu protonlaşır. Bundan dolayı, alkaloidler pozitif yüklüdür ve genellikle suda çözünebilirler. Alkaloidler, genellikle aspartik asit, lisin, ornitin, tirozin, triptofan gibi aminoasitlerin birisinden sentezlenir. Bununla birlikte, bazı alkaloidlerin karbon iskeletinin çoğunluğu mevalonik asit yolundaki bileşiklerden türevlenebilir (Şekil 20.1). Tablo 20.1. Alkaloidlerin Ana Sınıfları ve Öncül Maddeleri Alkaloid Sınıfı Örnek Öncül Maddesi Pirrolidin Tropan Piperidin Pirrolizidin Quinolizidin İzoquinolin İndol



ornitin ornitin lisin ornitin lisin tirozin triptofan



nikotin Atropin, kokain koniin retrorsin lupinin kodein, morfin Reserpin,strişnin (strychnine)



ALKALOİDLERİN BİTKİLERDEKİ YERLEŞİM İ VE DAĞILIM I Günümüze kadar bitki türlerinin % 959i alkaloidler açısından incelenmemiştir (Tablo 20.2). Alkaloidlerin biriktiği bitkisel dokuların başlıcaları şunlardır; aktif olarak büyüyen dokular, epidermal ve hipodermal hücreler, vasküler kınlar ve lateks (süt) kanalları. Alkaloidler, hücre içerisinde vakuollerde bulunurlar. Nitekim genç hücrelerde vakuoller henüz oluşmadığından bu tip hücrelerde alkaloidlere rastlanmamıştır. Bunlar ölü dokularda ise nadir olarak meydana gelirler. Hatta alkaloidlerin % 12’sini ihtiva eden Cinchona kabuklarında alkaloidler parankima dokusunda bulunmuştur. Alkaloidler sentez yerlerinden ziyade diğer dokularda depolanırlar. Bunun bilinen en önemli örneği nikotinin tütün bitkilerinin köklerinde sentezlenip yapraklarına taşınıp orada depolanmasıdır. Bazı alkaloidler de taşındıkları yerlerde bazı modifikasyonlara maruz kalabilirler.



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



403



Betalainler yüksek derecede renklenmiş alkaloidlerdir. Cactaceae familyasını ihtiva eden sentrospermae bitki grubunda geniş bir yayılış gösterirler. Betasiyaninler ve betaksantinler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Betalain pigmentleri hücre vakuolünde bulunur ve onları ihtiva eden bitkilere sarı (betaksiyaninler) renk verirler. Betalainleri ihtiva eden bitkilerde betalamik asitler de mevcuttur. Bunlar aynı zamanda betalain oluşumunda da bir ara üründürler. Betalainler musca-auirin ve muscapurpirin olarak Amanita muscara mantarlarında bulunurlar. ALKALOİDLERİN BİTKİLERDEKİ FONKSİYONU Bitkilerde alkaloidlerin rolü 100 yıldan daha fazla bir zamandan beri tartışılan bir konudur. Alkaloidlerin önceleri azot atığı (hayvanlardaki üre ve ürik aside anolog olarak), azot depo bileşikleri yada büyüme regülatörleri olduğu düşünülmüştür. Fakat bu fonksiyonların herhangi birini desteklemek için çok az delil vardır. Alkaloidlerin çoğunluğu herbivorlar için toksiktir. Böylece, alkaloidler özellikle yiyicilere (özellikle memeliler) karşı koruyucu fonksiyon görürler. Tablo 20.2. Bitki Bölümlerine Göre Alkaloidlerin Dağılımı Bitki Bölümü Alkaloid yayılışı Tallophyta Bryophyta Pteridophyta Spermatophyta Gymnospermae Angiospermae Monokotiledonlular Dikotiledonlular



yok (bazı fimguslar hariç) yok Sınırlı bir yayılış var, E qu isetu m , L ycopodiu m Sınırlı bir yayılış var esas olarak: Gramineae, Liliaceae esas olarak: Rubiaceae ( örneğin kahve), Papaveraceae (örneğin haşhaş), Solanaceae (örneğin tütün), Leguminosae (örneğin bezelye), Apocynaceae, Fumariaceae. az olarak : Rosaceae (örneğin gül), Compositae (örneğin aster), Labiateae (örneğin nane).



Çiftlik hayvanları ölümlerinin büyük bir çoğunluğu, alkaloid ihtiva eden bitkileri sindirdikleri için meydana gelir. Birleşik Devletler’de otlayan çiftlik hayvanlarının önemli bir kısmı Lupinus, Delphinium, Serecio gibi alkaloid ihtiva eden bitkilerle beslenmeyle zehirlenmektedir. Bu nedenle, evcil hayvanlar (yabani hayvanlardan farklı olarak) toksik bitkilerden sakınmak için



404



tabii seleksiyon geçirmezler. Gerçekten bazı çiftlik hayvanları alkaloid ihtiva eden bitkileri daha az zararlı bitkilere tercih ederler. Belirli bir miktarın üzerinde alınan bütün alkaloidler insanlar için de toksiktir. Örneğin strişnin (strychnin), atropin ve koniin klasik zehirleyici alkaloid ajanlardır. Bununla birlikte, çok düşük dozlarda birçoğu farmakolojik olarak kullanılmaktadır. Morfin, kodein, atropin ve efedrin tıpta kullanılan sadece birkaç bitki alkaloididir. Kokain, nikotin ve kafein gibi diğer alkaloidler uyarıcı ve yatıştırıcı olarak tıbbi olmayan keyif verici maddelerdir. Hücre seviyesinde alkaloidlerin etki şekli oldukça değişkendir. Birçoğu sinir reseptörlerine bağlanır ve sinir iletilerini etkiler. Diğerleri membran transportu, protein sentezi ve muhtelif enzim aktivitelerine etki ederler. Alkaloidler, bitkiler için sadece savunma bileşiği değildirler. Betalainler olarak adlandırılan kırmızı ve sarı renkli alkaloidlerin bir grubu çiçekler ve meyve pigmenti olarak görev yaparlar.



3. FENOLİK BİLEŞİKLER Bitkiler aromatik bir halka üzerinde bir hidroksil grubu ihtiva eden fenol grubuna sahip çok sayıda sekonder bileşik ihtiva ederler. Bu bileşikler fenolik maddeler olarak adlandırılır. Bitki fenolikleri kimyasal olarak heterojenik bir gruptur. Bazıları sadece organik bileşiklerde çözünürken, bazıları da suda çözünebilir karboksilik asitlerdir. Diğer gruplar ise suda çözünmeyen büyük polimerlerdir. Bu kimyasal farklılığa bağlı olarak fenolikler bitkilerde çeşitli rollere sahiptirler. Birçoğu herbivor ve patojenlere karşı savunmada rol oynar. Diğer rolleri arasında mekanik destek, polinatörler ve meyve dağıtıcılarının (bazı hayvanlar ve insan) cezbedilmesi, komşu bitkiler arasındaki etkileşimlere neden olmaları sayılabilir. Çoğu Bitki Fenolikleri Şikimik Fenilalaninden Sentezlenir



Asit



Yolu



Ürününü



Olan



Bitki fenolleri birçok farklı yolla sentezlenir. Bunlardan birisi şikimik asit yolu, diğeri ise malonik asit yoludur. Şikimik asit yolu genellikle yüksek bitki fenoliklerinin biyosentezinde kullanılır. Malonik asit yolu ise bakteri ve funguslarda fenolik sekonder ürünlerinin önemli bir kaynağıdır. Yüksek bitkilerde bu yol az kullanılır.



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



405



Şikimik asit yolu basit karbohidratlardan başlar ve aromatik aminoasitlere doğru ilerler. Bu yolun ara ürünlerinden birisi şikimik asittir. Çok iyi bilinen herbisit glifosat (ticari adı Round up), yabancı otları bu oluşum yolunun bir kademesini bloklayarak öldürür. Şikimik asit yolu bitkiler, funguslar ve bakterilerde bulunmakla beraber hayvanlarda mevcut değildir. Bu nedenle hayvanlar fenil alanin, tirozin, triptofan amino asitlerini sentezleyemez ve bu amino asitler hayvanlar için esensiyeldir. Bitkilerde fenolik bileşiklerinin çoğunluğu fenilalanin ve tirozinden türevlenir (Şekil 20.3). Çoğu bitki türlerinde bu sentezdeki anahtar reaksiyon, sinnamik asidin bir amonyum molekülünün çıkarılmasıyla fenil alanine dönüşmesidir. Bu reaksiyon, fenil alanin amonyum liyaz (PAL) tarafından kataliz edilir. Bu enzim sekonder metabolizmanın en önemli düzenleyici enzimlerinden birisidir. Birkaç bitkide özellikle çimlerde fenolik oluşumunda anahtar reaksiyon tirozinin, 4-hidroksi sinnamik aside dönüştüğü reaksiyondur.



Bitkilerdeki PAL aktivitesi çeşitli iç ve dış faktörlerin (hormonlar, besin seviyesi, ışık, fungal enfeksiyon ve yaralanma) kontrolü altındadır. Örneğin, bitki hücresine fungus girişi, PAL’ı kodlayan mRNA’nın transkripsiyonunu başlatır. Böylece bitkilerdeki PAL sentezi uyarılır ve dolayısıyla fenolik bileşiklerin sentezinin artması sağlanır (Şekil 20.4).



406 PAL Fenilalanin



->



trans sinnam ik asit



-> -> -> kom pleks fenolik bileşikler



-N H 3



Şekil 20.4.Çoğu bitkilerde fenoliklerin biyosentezindeki önemli bir basamak PAL tarafından katalizlenir. Diğer birçok sekonder bileşikte olduğu gibi bitkiler basit fenolik bileşiklerin temel karbon iskeletlerini daha kompleks ürünler meydana getirmek için kullanırlar. Birçok basit fenolik bileşik, bitkilerle beslenen herbivor böceklere ve funguslara karşı önemli rol oynarlar. Furanokumarinler olarak adlandırılan belirli kumarinlerin fototoksisitesi oldukça ilginçtir. Bu bileşikler ekstra bir furan halkasına sahiptirler. Furanokumarinler ışıkla aktivite edilmedikleri zaman toksik değildirler. Güneş ışığındaki ultraviyole ışınları (320-400 nm), bazı furano-kumarinlerin yüksek enerjili elektron durumuna geçmesini sağlayarak, onları aktif hale getirir. Aktif furanokumarinler DNA çift heliksine kendilerini sokarak, sitozin ve timin gibi pirimidin bazlarına bağlanabilirler. Böylece transkripsiyon ve onarım mekanizmasını engelleyerek hücre ölümüne yol açarlar. Fototoksik kumarinler sap kerevizi, yaban havucu, maydanozu ihtiva eden Umbelliferae familyası üyelerinde özellikle bol bulunur. Sap kerevizinde bu bileşiklerin seviyesi, eğer bitki stres altında ve hastalıklı ise 100 kat artar. Kereviz toplayıcıları ve satıcıları hastalıklı ve stresli kerevizlerin elle temasından sonra deride kızarıklar meydan getirdiğini bilirler. Bazı böcekler, furanokumarinleri aktive eden ışınlardan korunmak için kıvrılmış yapraklarda yaşarlar. Böylece bu böcekler, fototoksik kumarinleri ihtiva eden bitkiler üzerinde canlı kalmaya adapte olmuşlardır. Basit Fenolikler Çevreye Yayılmak Suretiyle Diğer Bitkilerin Büyümesini Etkileyebilirler Bitkilerin çürüyen kısımlarından, köklerinden ve yapraklarından birçok primer ve sekonder ürün serbest kalarak çevreye geçebilir. Bitkilerden orij inlenen bu bileşiklerin ortamdaki diğer bitkilere, mikroorganizmalara ve diğer canlılara etkilerinin araştırılması allelopatinin konusudur. Eğer, bir bitki çevresine serbest bıraktığı kimyasallarla yakınında bulunan bitkilerin büyümesini engelliyorsa bu durum o bitkinin ışığa, suya ve besin maddelerine



BÖLÜM 20



SEKONDER BİTKİ



407



daha yüksek oranda sahip olmalarını sağlar ve böylece evülasyonal başarılarını arttırır. Genellikle allelopati terimi bitkilerin komşuları üzerindeki olumsuz etkileri için kullanılmakla birlikte, bu etkiler bazen yararlı da olabilir. Fenolik bileşikler önemli allelopatik etkilere sahiptirler. Örneğin kafeik asit ve ferulik asit gibi bileşiklerin önemli miktarlarda toprakta bulunduğu ve bu bileşiklerin birçok bitkinin çimlenmesini ve büyümesini inhibe ettiği deneysel olarak gösterilmiştir. Bütün bu sonuçlara rağmen doğal ekosistemlerde allelopatinin önemi hala tartışmalıdır. Allelopatinin potansiyel zirai uygulamalarından dolayı ilginçliği hala devam etmektedir. Tarlalarda önceki ürünlerden kalan artıklar yada yabani otlar tarafından neden olunan ürün verimindeki azalmalar bazı durumlarda allelopatinin bir sonucu olabilir. Gelecekte ilginç konulardan bir tanesi yabancı otlara karşı allelopatik etkiye sahip genetik olarak zirai bitkilerin geliştirilmesidir. Bu gerçekleşirse doğada uzun süre kalan ve parçalanmaları zor olan pestisit kullanımı azalacaktır. Lignin, Primer ve Sekonder Rollere Sahip Kompleks Bir Fenolik M akromoleküldtir Selülozdan sonra bitkilerde en fazla bulunan organik madde lignin olup, yüksek derecede dallanan bir makromoleküldür. Kesin yapısı bilinmemektedir. Çünkü bitkilerden lignini ekstrakte etmek çok zordur. Genellikle hücre çeperinde polisakkaritlere ve selüloza kovalent bağlarla bağlanır. Lignin çeşitli sinnamik asit türevleri yoluyla fenil alaninden sentezlenen koniferil, kumaril ve sinapil olmak üzere 3 farklı fenil propan alkolden meydana gelir. Bu fenil propan alkoller, peroksidaz olarak adlandırılan enzimlerin etkisiyle bir polimere bağlanırlar. Peroksidazlar fenil propan alkollerin oksidasyonunu kataliz ederler. Oluşan ara serbest radikal bileşikleri enzimatik olmayan bir yolla lignini oluşturmak üzere birleşirler. Ligninde her bir fenil propan alkol için C-C ve C -O -C bağları mevcuttur. Bunun sonucu olarak 3 boyutlu olarak dallanan kompleks bir yapı meydana gelir. Nişasta, kauçuk yada selüloz gibi polimerlerden farklı olarak, lignin birimleri organize olmuş bir yapı değildir. Lignin, destek ve çeşitli tip iletim dokularının (trakeidlerde olduğu gibi) hücre çeperlerinde mevcuttur. Ayrıca lignin esas olarak kalınlaşmış sekonder çeperlerde depolanır, fakat selüloz ve hemiselülozlarla sıkı bir temas halinde primer çeper ve orta lamelde de bulunur. Lignin aynı zamanda gövde ve vasküler dokulara mekanik destek sağlar. Böylece, bu dokularda büzülme



408



olmaksızın negatif basınç altında ksilem boyunca sıvıların taşınması gerçekleştirilir. Lignin sentezleme yeteneği kurak alanlarda ilkel bitkilerin yayılmasına izin veren çok önemli bir adaptasyondur. Mekanik destek yanında, lignin önemli koruyucu fonksiyonlara da sahiptir. Ligninin fiziksel dayanıklılığı, hayvanlar tarafından bitkilerin yenilmesini, kimyasal dayanıklılığı ise herbivorlar tarafından sindirilmesini engeller. Sindirimi engellemek için lignin, selüloz ve proteinlere bağlanır ve bundan dolayı maddelerin sindirilmesini azaltılır. Lignifikasyon ayrıca patojenlerin çoğalmasını da engeller. Bu nedenle enfeksiyon ve yaralanmalara karşı lignifikasyon sık sık bir cevap olarak meydana gelir. Flavonoidler Fenolik Bileşiklerin En Büyük Grubudur ve İki Farklı Biyosentetik Yolla Oluşturulurlar Bitki fenoliklerin en büyük sınıflarından birisi flavonoidlerdir. Flavonoidler 15 karbonlu 3’lü karbon köprüsüyle birbirine bağlanan 2 aromatik halka ihtiva ederler. Flavonoidler 3 karbonlu köprülerin oksidasyon derecesine bağlı olarak sınıflandırılırlar. Bu dört grup içerisinde antosiyaninler, flavonlar, flavonoller ve izoflavonoidler sayılabilir. Flavonoidlerin büyük bir kısmında doğal olarak glikozitler mevcuttur. Hem hidroksi grupları hem de şekerler flavonoidlerin suda çözünürlüğünü artırır. Ayrıca, metil eterleri ve modifiye olmuş izopentil birimleri flavonoidleri lipofilik yapar. Flavonoidlerin çeşitli tiplerinin bitkilerde çok farklı fonksiyonları (pigmentasyon ve savunma gibi) belirlenmiştir. Antosiyaninler, Çiçek ve M eyvelerde Bulunan Renkli Flavonoidlerdir Bitki ve hayvanlar arasındaki interaksiyonlar antagonistik ilişkilerle sınırlı değildir. Bunun yanında mutualistik ilişkiler de vardır. Örneğin bitkiler polen ve tohumlarım taşıyan hayvanlara nektarlarım sunarlar. Görme ve koklama organlarına sahip hayvanların, çiçek ve meyvelere yönelmesinde sekonder ürünler önemli rol oynarlar. Bitkilerin renkli pigmentleri karotenoidler ve flavonoidler olmak üzere iki tiptir. Karotenoidler sarı, portakal, kırmızı renkli terpenoid bileşikleri olup, fotosentezde aksesuar pigmenti olarak görev yaparlar. Flavonoidler, renkli maddelerin geniş bir çeşidini ihtiva eden fenolik bileşiklerdir. Pigment



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



409



yapısındaki flavonoidlerin en geniş grubu antosiyaninlerdir. Bunlar çeşitli bitki sınıflarında kırmızı, pembe, mor ve mavi renklerin çoğunun oluşumundan sorumludur. Çiçek ve meyvelerin renklenmesi sonucunda tozlaşma ve tohumları yaymak için hayvanları kendilerine çekmede önemli rol oynarlar. Antosiyaninler şekerlere sahip glikozitlerdir. Bununla birlikte, şekersiz antosiyaninler antosiyanidin olarak bilinir. Çok genel antosiyanidinler delfınitin, peonitin ve petunidindir. Antosiyanin rengi birçok faktörden etkilenir: 1) antosiyanidin B halkasındaki hidroksil ve metoksil gruplarının sayısı 2) demir ve alüminyum gibi şelating metallerinin mevcudiyeti 3)flavon ve flavonol pigmentlerinin mevcudiyeti 4) bu bileşiklerin depolandığı hücre vakuollerinin pH’sı. Antosiyanin renkliliğini etkileyen çeşitli faktörler göz önüne alındığında (aynı zamanda karotenoidlerin mevcudiyeti de söz konusudur) doğada çiçek ve meyvelere ait çok farklı renk tonlarının bulunması sürpriz değildir. Bununla birlikte çiçeğin rengi, polen taşıyıcılarını çekmek için kullanılan cezbedici faktörlerden sadece bir tanesidir. Bu amaçla uçucu özelliğe sahip monoterpenler de kullanılır. Flavonoidler Çekicilik Yanında Ultraviyole Koruyucusu ve Savunucusu Olarak Görev Yaparlar Çiçeklerde bulunan flavonoidlerin diğer iki büyük gurubu; flavon ve flavonollerdir. Bu flavonoidler genellikle antosiyaninlerden çok daha kısa dalga boylu ışınlan absorbe ederler. Öyle ki bu ışınlar insan gözüyle görülmeyen özelliktedir. An gibi böcekler bu spektrumdaki ultraviyole ışınlarını görebilirler. Böylece flavonlara ve flavonollere çekicilik şeklinde cevap verirler. Purdu Üniversitesinde Morris Leuy ve çalışma arkadaşları (1983) ultraviyole fotoğrafı kullanarak çiçeklerdeki flavonollerin, nektar kılavuzları olarak adlandınlan konsantrik daireler veya simetrik çizgiler oluşturduklarını göstermişlerdir. Bu maddelerin, böceklerin polen ile nektarların yerlerini bulmalarına yardımcı oldukları düşünülmektedir. Flavonlar ve flavonoller sadece çiçeklerde değil, yeşil bitkilerin yapraklarında da bulunurlar. Flavonoidlerin bu iki grubunun aşın UV radyasyonundan hücreleri koruduğu ileri sürülmüştür. Çünkü yukarıda belirtildiği gibi bunlar UV bölümünde ışığı kuvvetli derecede absorbe ederler. Görünür bölgedeki ışınları (fotosentetik olarak aktif) ise geçirirler. Bitkilerin artan ultraviyole ışığına maruz bırakılması, flavonlarm ve flavonollerin



410



sentezini artırdığını göstermiştir. Flavonoidlerin diğer fonksiyonları da belirlenmiştir. Örneğin baklagil bitkilerinin kökleri tarafından toprağa salınan flavonlar ve flavonoller nodül oluşturan, azot fıkse eden bakterilerdeki gen ekspirasyonunu düzenlerler. Aynı zamanda daha önce ifade edildiği gibi flavon quercitin ve flavonal arigenin son zamanlarda polar oksin taşınımının endojenik regülatörleri olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar sekonder bileşiklerin ekolojik rolleri yanında, önemli fizyolojik rollerinin de olduğunu gösterir. İzoflavonoidler Antifungal ve Antibakteriyal Savunucu Olarak Görev Yaparlar İzoflavonoidler bir flavonoid grubu olup, bir aromatik halkasının pozisyonunun (B halkası) değişmesi ile oluşurlar. İzoflavonoidler farklı fonksiyonlara sahiptirler. Bazıları (karotenoidler gibi) kuvvetli insektisidal aktiviteye sahip olmakla birlikte, bazıları memelilerde kısırlığa (infertilite) neden olan antiöstrojenik etkilere sahiptirler. İzoflavonoidlerin en iyi bilinen rollerinin bakteri ve fungal enfeksiyon sonrası yüksek konsantrasyonlarda biriken ve patojen girişini engelleyen antimikrobiyal bileşik özelliğinde olmalarıdır. Bu maddeler fitoaleksin olarak adlandırılırlar. Fitoaleksinlerin bazı ilginç özellikleri şunlardır: 1) enfeksiyonlardan önce genellikle bitkilerde bulunmazlar, 2) mikrobiyal enfeksiyonlardan sonra 1 saat içerisinde çok hızlı olarak sentezlenirler, 3) bunların oluşumu enfeksiyon yerinin etrafında belirli bir alanla sınırlanır, 4) fitoaleksinler bitkilerin fungal ve bakteriyal patojenlerinin geniş bir spektrumu için toksiktirler. Fitoaleksin üretimi, bitkilerin büyük bir çeşidinde mikroplara karşı genel bir dayanıklılık mekanizması olarak bilinir. Bununla birlikte, farklı bitki familyaları fitoaleksinler olarak farklı sekonder ürün çeşitlerini sentezleyebilirler. Örneğin izoflavonoidler Leguminosae familyasındaki genel fitoaleksinlerdir. Oysa, patates tütün ve domatesin de dahil olduğu Solanaceae familyasında ise fitoaleksin olarak çeşitli sesquiterpenler üretilir. Bakteriyel ve fungal girişlere etkili bir cevap olarak bitkiler patojen varlığını hızlıca tanımak ve daha hızlı bir şekilde fitoaleksin üretmek zorundadırlar. Enfeksiyon durumunda bazı maddeler fitoaleksinlerin salgılanmasını başlatırlar. Bu fitoaleksin sentezini uyaran maddeler elisitör olarak adlandırılır. Elisitörlerin kimyasal yapıları ve fitoaleksin üretimini uyarma mekanizmaları çalışılmaktadır. Bazı türlerde elisitörler fitoaleksin



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



411



biyosentezi ile ilgili enzimleri kodlayan mRNA’nm transkripsiyon hızında artış sağlarlar. Örneğin soya fasulyesi hücrelerinin elisitör ile muamele edilmesinden bir saat içerisinde gliseollin I biyosentezi için gerekli enzimler, 3-4 kat artış gösterir (kontrole göre) ve gliseollin I birikimi başlar. Elisitöre maruz kaldıktan sonra 8 saat içerisinde soya fasulyesi hücreleri patojen büyümesini inhibe edecek yeterli fıtoaleksini ihtiva ederler. Böylece, bitkiler fıtoaleksin sentezi için ihtiyaç duyulan herhangi bir enzimi depo etmezler. Mikrobiyal enfeksiyondan hemen sonra ilgili enzimler için uygun mRNA’ları kopyalanmaya başlanır ve enzimler enfeksiyondan sonra sentezlenir. Birçok bitkide fitoaleksinlerin fungal ve bakteriyel enfeksiyonların önlenmesinde önemli bir role sahip olduğunu görmekteyiz. Bununla birlikte, fıtoaleksin üreten belirli türler enfeksiyona duyarlıdırlar. Açıkça duyarlı bitkiler belirli patojenlerin büyümesini engellemek için enfeksiyon yerinde yeterince hızlı ve etkili fıtoaleksin konsantrasyonunu sentezleyemezler. Diğer taraftan bazı patojenler belirli fıtoaleksinleri detoksifıye (zehirsizleştirme) edebilme yeteneğindedir. Bitkiler, fıtoaleksinlerle aynı yönde çalışan diğer tip antimikrobiyal kimyasal savunucu bileşiklere de sahiptirler. Örneğin bazı türler fungal ve bakteriyel işgallere karşı, lignin yada kalloz sentezleyerek cevap verirler. Bu polimerlerin bir bariyer olarak görev yaptığı düşünülmekte ve organizmaların yayılmasını fiziksel olarak engelledikleri ileri sürülmektedir. Diğer bazı bitki türleri fungal hücre duvarını parçalayan kitinaz gibi hidrolitik enzimleri üretirler. Enfeksiyonla uyarılan savunuculara ilave olarak, birçok bitki enfeksiyon olsun veya olmasın daima antimikrobiyal sekonder ürünler oluştururlar. Bazı araştırıcılar fitoaleksinlerin genel bitkisel stres metabolitleri olduklarını ileri sürmüşlerdir. Çünkü onların sentezi fungal yada bakteriyel hücumdan başka diğer faktörlerle uyarılabilir. Yaralanma, donma, yüksek UV ışığı, fungusit uygulanması yada çeşitli ağır metal tuzları gibi stresler fıtoaleksin üretimini başlatabilirler. Çünkü fıtoaleksinler patojenler kadar herbivorlar için de toksik olmasından dolayı, bunlar stres anında genel bir savunucu olarak hizmet görürürler. Tanninler Hayvanlar İçin Beslenme Koruyucusu Olarak Fonksiyon Gören Polim erik Fenolik Bileşiklerdir Ligninler yanında defans özelliklerine sahip bitki fenolik polimerlerinin ikinci tipi tanninlerdir. Tannin terimi, hayvan derilerini deriye dönüştürme



414



Tablo 20.3. Bitkisel Fenoller C sayısı



Sınıfı



Örnek



Bulunduğu bitki (örnek)



6



Fenoller Fenolik asitler Fenil asetik asit Hidroksisinnamik asit Fenil propenler Kumarinler İzokumarinler Chromonlar Naftokinonlar Ksantonlar Stilbenler Antrakinonlar Flavonoidler Lignanlar Neolignanlar Biflavonoidler Ligninler Melaninler Kondanse tanninler



Katekol P-Hidroksi benzoik asit Hidroksi fenil asetik asit Kafeik asit Miristisin 6,7 dimetoksi kumarin Hidragenol Eugenin Juglon Mangiferin Lunularik asit Emodin



G aultheria yapraklan Geniş bir yayılış gösterir A stilb e yaprakları



7



8 9



10 13 14 15 18 30 n



Pinoresinol Eusiderin Amentoflavon



M y ristica fra g ra n s



Orkidler H id ro n g ea m a cro p h ylla E u gen ia a ro m a tica Ju glan s nigra



Geniş yayılışa sahiptir Ciğer otlan



Koni ferler Gymnospermler Hücre duvan



Kinonlar Benzokinon bitkisel ürün olmamasına rağmen onun indirgenmiş şekli olan hidrokinon bir bitkisel üründür. Benzokinon türevleri olarak bilinen plastokinon fotosentetik elektron taşımında ubikinonlar ise mitokondrial elektron taşımmında önemli role sahiptirler. Naftokinonlar genel olarak indirgenmiş ve glikosillenmiş formlar halinde bulunurlar. Bunlar ekstraksiyon esnasında sık sık okside olurlar ve izolasyon sonrasında meydana gelen ekstrakt renklenir. Kara cevizden elde edilen bir naftokinon türevi olan juglon glikozitleri de bitkisel kinondurlar. Fotosentezde rol alan diğer bir naftokinon ise fîllokinon olarak adlandırılır. Ksantonlar Ksantonlar genellikle Guttiferae ile Gentianaceae familyalarında bulunurlar. Bugüne kadar 1-5 kadar hidroksil grubu ihtiva eden 70’den fazla ksanton bileşiği tanımlanmıştır. Bunlar serbest yada glikozit halinde bulunabilirler.



BÖLÜM 20



SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



415



Stilbenler Bitkilerde çok yaygın olan stilben, dihidrostilben lunularik asittir. Ciğer otlarının hepside bulunurlar ve yüksek bitkilerdeki absisik aside benzer bir büyüme inhibitörü etkisine sahiptirler. Stilbenler da pinosilvin olarak Eucolyptus'ta resveratrol olarak adlandırılırlar. Stilbenlerin sentezi hakkında ise çok az şey bilinmektedir. Flavonoidler Flavonoidler sarı, mor, kırmızı ve koyu kırmızı renge sahip suda çözünebilen geniş bir fenol türevi maddelerdir. Genelde vakulde bulunmalarına rağmen kloroplast ve kromoplastlarda da bulunur. Flavonoidler glikozidik yapıdadırlar. Bitki renklenmesine katkıda bulunan başlıca flavonoidler; antosiyaninler, flavanollar, kalkonlar ve auronlardır. M elaninler Melanin, genel anlamda tabii olarak meydana gelen koyu kahverengi ve siyah pigmentleri ihtiva eden bir terim olarak kullanılmaktadır. Bitkilerin karakteristik melaninleri katekol melaninleri olarak adlandırılmaktadır. Böyle bileşikler, Ustilago maydis sporlarında, Citrullus vulgaris ve Helianthus annuus tohumlarında bulunmuştur. Hayvansal melaninler ömelanin olarak adlandırılmakta ve tirosinaz enziminin etkisiyle tirozin amino asidinden meydana gelen indol-5,6-kinonun polimerizasyonundan meydana gelmektedirler. Bazı bitkisel melaninler de (özellikle hücresel bir hasardan sonra oluşanlar) ömelanin yapısındadırlar. Katekol melaninler ömelaninlerden farklı olarak azot ihtiva etmezler. Diğer fenolik bileşikler (lignin ve tanninler gibi) hakkında daha önce bilgi verildiğinden dolayı burada bahsedilmemiştir.



OKUMA PARÇASI 20.1. ANTO SİYANİNLER BİTKİLERDE GÜZEL RENKLERİ OLUŞTURURLAR Antosiyaninlerin 22 çeşidi bilinmesine rağmen bunlardan pelargonidin, delfınidin ve siyanidin en önemli 3 tanesidir. Antosiyaninlerin iyonik özelliklerinden dolayı bunlann renk derecesi ve şiddetleri pH değişimine bağlı olarak değişmektedir.



416 Bitki dokularındaki antosiyanin miktan kuru ağırlıklı olarak % 0,01 ile % 15 arasında değişir. Yüksek konsantrasyonlarda koyu bir renge sahiptirler. Örneğin normal mavi hububat çiçeklerinin antosiyanin miktan % 0,05 olmasına karşı koyu mor varyetelerde %13-14 arasındadır. Bitkilerde antosiyaninlerin en çok bulunduğu kısımlar arasında petaller, yapraklar ve meyveler sayılabilir. Bunlar hakkında kısaca bilgi verilecektir.



Petaller: Bitki petallerinin renklenmesinin sadece antosiyanin pigmentlerinin etkisiyle olmadığı bu olayın ortak bir pigmentasyonla meydana geldiği bulunmuştur. Örneğin çiçek petallerinin maviliği bir antosiyanin ile bir flavon glikozit veya tannin arasındaki ortak pigmentasyondan kaynaklanır. Yine kestane renkli veya açık morlu P rim u la sin en sis çiçeklerindeki antosiyanin malvidin-3-glikozittir. Bunların renk farklılığı ise



konsantrasyon farklılığından kaynaklanır. Örneğin açık mor renkli çiçeklerde, kestane renkli



çiçeklere



oranla



3-5



defa



daha



fazla



konsantrasyonlarda



kaempfenol



glikozitleriyle ortak pigmentasyon meydana gelir. Mor güller ise siyanidin-3,5diglukozit ihtiva ederler. Koyu kırmızı güllerde aynı maddenin yanısıra büyük oranda gallatannin ile bir pigmentasyon mevcuttur.



Yapraklar: Yapraklara renk veren flavonoidler sadece antosiyaninlerdir. Bunlar genç yapraklarda geçici renklenmeye sürekli renkleşmeye ve olgunlaşma renklenmesine katkıda bulunurlar. Genel olarak bütün bitkilerde ilgili pigment siyanidin-3-glukozit olmasına karşın P rim u la ve Solanum türlerinde nadir olarak yapraklarda delfmidin birikimi meydana gelir. Yaprak gelişiminin erken safhalarında antosiyaninlerin yapraklarda bol miktarda (geçici olarak) bulunmasının nedeni bilinmemektedir. Fakat bir süs bitkisi olan C oleus yapraklarındaki



renkleşme



modelinin



sıkı



bir genetik



kontrol



altında



olduğu



bilinmektedir. Antosiyaninlerin



göz



alıcı



renklerinden birisi



özellikle A c e r



ve



P yru s



meyvelerinin olgunlaşması esnasında meydana gelen kırmızılıktır. Bu pigmentin meydana gelişi (siyanidin-3-glikozit) olgunlaşma esnasında iklim şartlarına bağlı olup, biyokimyasal kontrolü bilinmemektedir. Olgun ağaç yapraklarının san ve kahverengi renkleri de sırasıyla karotenoid ve tanninlerden kaynaklanır.



Meyveler: Yapraklarda olduğu gibi antasiyaninler birçok meyvenin renkleşmesine de büyük oranda katkıda bulunurlar (Tablo OP 20.1). Bir meyvenin farklı varyetelerine ait renklerdeki varyasyon (örneğin siyah ve beyaz kirazlar) mevcut pigmentlerin sayısındaki değişimlerden ziyade miktarsal farklılıklardan kaynaklanır. Birçok meyvenin mavi renkli



BÖLÜM 20 SEKONDER BİTKİ ÜRÜNLERİ



olması



petallerdeki



417



gibi ortak pigmentasyondan değil, bir proteinle kompleks



oluşumundan kaynaklanmaktadır.



Tablo OP 20.1. Bazı Yenebilir Meyvelerdeki Antosiyanin Dağılımı PİGMENT MEYVELER Siyanidin Frenküzümü, elma (kubuk), kiraz, ahududu Delfinidin Patlıcan (kabuk), nar (meyve suyu) Pelargonium Çilek Siyanidin, delfinidin Siyah frenk üzümü, kan portakalı (meyve suyu)



BÖLÜM 2 1



BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ Geniş anlamı ile biyoteknoloji, ziraatta ve endüstride biyolojik organizmaların kullanımını geliştirmek için biyoloji, kimya ve mühendislik disiplinlerinin ortak çalışmasını ifade eder. İnsanların ihtiyaçları için canlı organizmaların kullanılarak belirli maddelerin üretilmesi yeni değildir. Çeşitli maddelerin biyoteknolojik olarak üretilmesi binlerce yıl önce başlamıştır. Örneğin mikroorganizmalar kullanılarak bira, şarap, peynir ve ekmek üretimi eski çağlardan beri yapılmaktadır. On dokuzuncu yılın sonu itibarıyla mikrobiyal fermentasyonla etanol, aseton ve asetik asit üretilmeye başlanmıştır. Yirminci yüzyılın ortalarında lağım suları ve katı artıkların mikroorganizmalar kullanılarak diğer yararlı bileşiklere dönüştürülmesi başarılmıştır. Diğer taraftan günümüzde rutin olarak antibiyotik ve diğer ticari ürünlerin üretimi için mikroorganizma kültürleri kullanılmaktadır. İnsanlar çok eskilerden beri daha iyi ve daha kaliteli ürün elde etmek için bitkileri ıslah çalışmalarına tabi tutmuşlardır. Aynı zamanda bitkiler yakıt ve giysi, daha sonra ise boya, baharat, drog, parfüm, kauçuk, sıvı yağ, mum gibi birçok hammaddenin kaynağı olarak değerlendirilmiştir. Bitkilerin endüstride çok çeşitli alanlarda kullanımına bariz bir örnek olarak mısırı verebiliriz. Mısırdan elde edilen nişasta ve yağlar kozmetik, dondurma, yapıştırıcı olmak üzere binlerce endüstriyel üründe kullanılmaktadır. Biyoteknolojiden insanlar yıllardır yararlanmasına rağmen, son zamanlarda gündeme getirilmesinin en büyük nedeni moleküler biyolojideki yeniliklerdir. DNA teknolojisi sayesinde genler organizmalar arasında transfer edilerek yeni karakterlere sahip organizmalar üretilmektedir.



BÖLÜM 21 BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ



419



Bu yeni teknolojideki bitki fizyolojisinin rolü daha çok sonuçların doğru olup olmadığını belirleme noktasındadır. Örneğin ürün veriminin artıp artmadığı, herbisitlere ve patojenlere bitkilerin dayamklığmın değişip değişmediği, vejetatif ^üretimin artıp..-artmadığı gibi. Kısaca bitki biyoteknolojisi, l^&i^biyoM^yası, l^ftki ffzyol^ısi v^ebitki gehşirmnin ortak kullanımı ile ilgilidir.



REKOMBİNANT DNA Rekombinant DNA (rDNA), bir genomdaki bir DNA parçasının (yabancı DNA) diğer genomun DNA’sına (konukçu DNA) aktarılmasını ifade eder. Rekombinant DNA üretmek için 3 önemli birime ihtiyaç duyulur: 1) arzu edilen geni ihtiva eden yabancı bir DNA 2) bu geni taşıyacak bir vektör 3) vektörü konukçu bitkiye aktaracak bir aracı. Bu aşamalar hakkında kısaca bilgiler verilecektir. Yabancı DNA’dan gen izolasyonu için iki esas metod vardır. Bunlardan birincisi geni ihtiva eden DNA’nın küçük parçalar halinde kesilmesidir. Bu işlem için resktriksiyon endonukleazlar kullanılır. Restriksiyon enzimleri bakteriler tarafından doğal olarak üretilirler. Çift zincir DNA’yı özel baz dizilerinin olduğu yerlerden keserler. Bu parçaların çoğunluğu bir geni veya normal olarak transkript edilmeyen bölümleri ihtiva eder. Farklı bakteriler farklı özelliklere sahip resktriksiyon enzimleri üretebilirler. İkinci yolda ise hücreden izole edilen mRNA’lardan komplementer DNA (cDNA) elde edilir. Bu amaçla reverse transkriptaz (ters transkriptaz) olarak isimlendirilen bir enzim kullanılır. Bu enzim olgun mRNA’lardan kopya DNA’lar yapabilir. Bu DNA molekülleri sadece ekzonlardan oluşurlar, intron içermezler. Vektörün görevi rekombinant DNA’yı oluşturmak için izole edilen geni konak içerisine yerleştirmektir. En önemli vektörler plazmidlerdir. Plazmid bakteri kromozomundan bağımsız olarak bulunan replike olan, ve bakteriye ilave avantajlar sağlayan proteinleri kodlayan genleri ihtiva eden yuvarlak DNA halkasıdır. Bitkilerdeki gen nakillerinde Agrobacterium tumefaciens Ti plazmidleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Yabancı DNA'yı vektör DNA’sı içerisine yerleştirmek için iki enzime ihtiyaç vardır. Birincisi plazmid DNA'sını kesen diğeri ise restriksiyon enzimi sayesinde oluşan kesik yere yabancı geni kaynaştıran ligaz enzimidir. Plazmidi kesmek veya açmak için genellikle yabancı DNA’da kullanılan aynı endorestriksiyon enzimi kullanılır. Ligaz



420



enzimi’de hücresel enzim olup DNA’yı kaynaştırma özelliğine sahiptir. Böylece yabancı DNA’nın vektör içerisine yerleşmesi sağlanmış olur ve rDNA molekülü hazırlanmış olur (Şekil 21.1).



Vektörlere aktarılmış olan gen, genellikle Ti plazmidi bulunduran Agrobacterium tumefaciens aracılığıyla bitkilere aktarılır. Bunun için bitki protoplastları veya yaprak diskleri ile bakterilerle 2-3 gün inkübe edilirler. Daha sonra bakteriler antibiyotik uygulamasıyla öldürülürler. Bitki protoplastlan ve yaprak diskleri kültürlerde büyütülerek, yeni gen taşıyan bitkiler (transgenik bitki) elde edilmiş olur.



BİTKİ BİYOTEKNOLOJİSİ POTANSİYELİ MİKROÜRETİM Bitki doku kültürü tekniklerinin başarılı olmasıyla çok sayıda klonlanmış bitki türü üretilmiştir. Küçük yatırımlarla, gerekli teknik ve madde desteği ile milyonlarca yüksek kaliteli ve genetik olarak tek tip bitkiler üretmek mümkündür. Bu işlem mikroüretim (mikroçoğaltım) olarak adlandırılır. Mikroüretim için en genel teknik aksillar tomurcuk (koltuk altı tomurcuğu)



421



BÖLÜM 21 BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ



gelişimini teşvik eden ve apikal dominansiyi azaltan bir ortam üzerinde kesilmiş meristematik dokunun büyütülmesidir. Burada yeni oluşan filizler ayrılarak alt kültürlere alınır ve daha fazla aksillar filiz üretilebilir. Ayrıca filizler, köklendirmeyi teşvik eden bir ortama aktarılarak köklendirilebilir. Diğer bir teknikte dokular, kallus kültürlerini oluşturmak için kullanılır. Daha sonra kalluslar, kök ve gövde oluşturmak için uygun ortamlara aktarılırlar. Mikroüretim, virüs ve diğer patojenleri uzaklaştırmak için etkili bir yoldur. Doku kültürü yardımıyla virüslerden arındırılarak üretilen ilk bitki grubu orkidlerdir ( bidu. )Aynı zamanda bu teknik patates, zambak, lale ym C ve normal olarak vejetatif üreyen diğer türler için de başarılı bulunmuştur. Örneğin patates, yumruları üzerindeki tomurcuklar kullanılarak doku kültürü ortamında vejetatif olarak üretilmektedir. Bu sistemle virüsler gelecek nesillere geçirilebilir. Meristem kültürlerinden patatesin mikroüretiminin yapılması, serbest virüs kütlelerini izole etmek için iyi bir yoldur. Mikroüretim, orman ağaçlarının üretiminde de geniş olarak kullanılmaktadır. Buradaki üretim, primer olarak ağaçların aksillar ve adventif tomurcuk kültürlerinden yapılmaktadır. Yeni tomurcukların farklılaşması ve kalluslaşması metotları ile bitki üretimi nadirdir. Benzer bir yaklaşım elma, şeftali ve armut kültivarlannda da başarılı olarak uygulanmıştır. Meyvelerin çoğunluğu tohumdan değil de vejetatif kesme ile çoğaltılır. Kültürde mikroekimle yapılan köklenmeler, birçok laboratuvardaki rutin bir olaydır. 1983’lü yıllarda HollandalI üreticiler, mikroüretimle 21 milyondan daha fazla bitki üretmişlerdir. Doku kültürlerinde yetiştirilen bitkicikler, belirli somatik hücrelerden klonlanmasına rağmen, morfoloji ve fizyolojilerinde belirgin farklılıklar ortaya çıkabilir. Bu olay somaklonal varyasyon olarak bilinir. Somaklonal varyasyonun nedeni tam olarak bilinmemektedir. Fakat kültür koşullarının bir sonucu olarak kendi kendine oluşan genetik varyasyonlarla ilgili olabilir. BİTKİLERİN KORUNUM U Modem ziraatla ilgili olarak yüksek üretim seviyesi, ağırlıklı olarak zararlı böcek, fungus ve virüs ile yabani otlarla mücadele edilmesine bağlıdır. 1940’lı yılların sonlarına doğru yabani otlarla, patojenlerle ve böceklerle mücadele edilmesindeJıerbis# ve insektisıiler geniş olarak kullanılmıştır. Bu kullanılan



kimyasalların



gıda



maddeleri



aracılığıyla



tüketicilerde



ve



422



ekosistemde potansiyel zararlı etkilere sahip olması ciddi sorunlar ortaya çıkarmıştır. Genetik mühendisliğinin gelişmesiyle bu konuda güven artırıcı yeni bitki koruma metotları geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları aşağıda kısaca açıklanmıştır. Herbisit dayanıklılığı: Zararlı otlar zirai ekonomide çok önemli bir faktördür. Zararlı otların neden olduğu verim azalmalarının yıllık olarak 12 milyar doları aştığı saptanmıştır. Çünkü çiftçilerin yabancı otlarla etkili bir mücadele etmeleri için herbisitlere bağımlı oldukları ve zararlı ot kontrolü için yukarıdaki rakama ilave olarak 8 milyar dolar harcadıkları bildirilmiştir. Bununla beraber herbisitlerin fazlaca kullanımı bazı arzu edilmeyen durumlar da ortaya çıkarabilir. Örneğin türlerin bir çoğunun herbisit dayanıklılığında dramatik bir artış ortaya çıkmıştır. 1960’ların başlarından beri 120’den daha fazla türün bir dizi herbisite dayanıklı olduğu belirlenmiştir. Bir örnek vermek gerekirse s a d e c e t ü r ü n triazin herbisitine dayanıklı olduğu bulunmuştur. ( Triazinlîerbisitleri (atrazin ve simazin) elektron transportunu fotosistem II’delalî^'TcDaTuk Dİ proteinine bağlanarak engellerler. Triazin herbisitleri kökler tarafından alınır. Bitkilerde triazin herbisitlerine dayanıklılık sağlayan mekanizmalar bilinmektedir. Örneğin bazı bitkilerin köklerinde (mısır ve darı gibi) bulunan glutatyon-s-transferaz enzimidir. Bu enzim söz konusu herbisitleri glutatyona bağlayarak detoksifıye eder. Bununla birlikte Amaranthus ve Chenopodium türleri gibi çok geniş dağılış gösteren zararlı otlar, triazin dayanıklı biyotoplarda büyüyebilirler. Bu dayanıklılık PSII’deki Dİ proteinini kodlayan psb A genindeki bir mutasyonla sağlanır. Dİ proteininde serinden glisine tek bir amino asidin değişimi bu proteinin triazinlere ilgisini 1000 kat azaltır. Şimdilik triazine dayanıklı zararlı otlar, çözümü bulunana kadar problem olmaya devam edecektir. Diğer taraftan triazine dayanıklı yukarıda belirtilen gen, bazı yararlı hububat bitkilerine transfer edilirse bazı avantajlar sağlayabilir. Fakat Dİ proteini kloroplast genomundan kopyalandığından dolayı, kloroplast DNA’sına bu genlerin aktarılmasında zorluklarla karşılaşılmıştır. Bununla birlikte geleneksel yöntemlerle yapılan bitki ıslahı çalışmalarıyla zararlı bir bitki türünden (Brassica campestris) ekonomik bakımdan önemli B. napus türüne dayanıklılık özelliği aktarılmıştır. Oluşan Brassica napus biyotipi triazine dayanıklı olmasına rağmen, dayanıklı biyotipin verimi, duyarlı biyotipten % 20 daha düşük olmuştur. Glutatyon-s-transferaz



BÖLÜM 21 BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ



423



geninin transferi ile dayanıklı biyotip geliştirme çalışmaları yapılmış, fakat bu çalışmalarda sınırlı bir başarı elde edilmiştir. Geniş spektrumlu diğer bir herbısıf gl ıfosattir. Glifosat, özellikle çok yıllık bitkilere karşı etkili olup, floemle taşîmT7Tjlifosat, bir kloroplast enzimi olan 5-enolpürivil-şikimat-3-fosfat sentaz aktivitesini engeller. Bu enzim aromatik amino asit sentezindeki bir adımı katalizler. Bu yol sadece bitkilerde ve mikroorganizmalarda bulunur. Böylece glifosat gerçek anlamda insanlar için toksik değildir. Bu özelliğinden dolayı glifosat dayanıklı hububat türleri, ticari olarak çok değerli



kabul edilir. Glifosat dayanıklılığını geliştirmek için



yukarıdaki enzimin glifosata ilgisini azaltan gen nakilleri yapılmıştır. Diğer herbisitler (sülfonilurealar, imidazolinon, triazolpirimidin) genel bir hedef yerinde bulunan bir enzim olan asetohidroksiasit sentaz üzerine etkilidir. Bu enzim de bitkilerde ve mikroorganizmalarda bulunur ve dallanmış zincirli amino asitlerin (izolösin, lösin, ve valin) sentezindeki ilk adımı katalizler. Bu enzimi sentezleyen geni taşımayan tütün mutantlarının (Hra), taşıyanlara oranla sulfonilurealara 1000 kat daha fazla dayanıklı olduğu bulunmuştur. Domates, şekerpancarı, pamuk ve yonca bitkileri bu mutant gen ile transforme oldukları zaman değişik seviyelerde herbisit dayanıklılığı sağlamışlardır. Böcek ve Hastalıklara Dayanıklılık:



Dünyadaki yıllık ürün kaybının %



12’sinin bitki hastalıklarından kaynaklandığı kaydedilmiştir. Patologlar uzun zamandan beri bitkilerdeki hastalıklara hangi faktörlerin neden olduğunu bilmektedirler. Fakat 'son yıllarda bitkilerdeki hastalık dayanıklılığının biyokimyası ve genetiği ile ilgili önemli gelişmeler olmuştur. Bitkilerde fungus ve diğer patojenlere karşı kompleks aktif bir savunma ağı vardır. Enfeksiyon yerlerini kuşatan hücrelerde hemen belirli defans mekanizmaları devreye girer. Bunlar, hücre çeperinde kalloz birikimi ve lignifıkasyon, antimikrobiyal fitoaleksin sentezi, patojenlere karşı litik enzimlerin uyarılmasıdır. Bu cevapların birleşmesi ile enfeksiyonun yayılması engellenir. Bitkilerde çok geniş bir savunma mekanizmasını ihtiva eden ve sistemik kazanılan immunite (SAR) olarak adlandırılan bir mekanizmanın olduğu hakkında deliller vardır. SAR, sekonder enfeksiyonları geçiştiren patogenesisle ilgili (PR) proteinlerin oluşumunu uyarır. Bu anlamda bitkilerdeki SAR insanlardaki immun cevabı ile uyuşmaktadır. Bu sistem patojenin bitkiye girmesiyle bir kez uyarıldığı zaman immun kapasitesi bitkinin her tarafına yayılır. SAR, doğal bir bileşik olan



424



salisilik asit veya sentetik bir bileşik olan metil-2,6-dikloroizonikotinik asit ile uyarılabilir. Salisilik asit (aspirin benzeri bir bileşik) bitkilerde çok düşük miktarlarda bulunur ve floemle taşınır. Tütün bitkileri tütün mozayik virüsü (TMV) ile aşılandıkları zaman aşılanan yapraklardaki salisilik asit seviyesi 20 kat, aşılanmayan yapraklarda ise 5 kat artmıştır. Salisilik aside paralel olarak PR proteinlerinin uyarılması da hızlanır. SAR’ın başlaması, PR proteinlerinin sentezi için sorumlu olan bir seri mRNA’nın transkripsiyonuyla da belirlenebilir. Bu mRNATarın birisi kitinazın sentezi ile ilgili olup, bu enzim kitinin hidrolizini katalizler. Kitin böceklerin dış kabuğunda ve filamentli fungusların hücre çeperlerinde bulunan esas bileşendir ve P 1-4 bağlı N-asetil-D-glukozamin polimeridir. Bir fungus hücumunda özellikle apoplast ve vakuollerdeki kitinaz seviyesi artar. Kitinaz geni fasulye bitkisinden izole edilmiş ve başarılı bir şekilde tütün ve Brassica napus bitkilerine aktarılmıştır. Her iki durumda transgenik bitkiler, toprak orijinli fungal patojenlerine karşı artan bir dayanıklılık sergilerler. Sonuç olarak fide ölümleri azalır ve semptomların başlaması geciktirilir. Bitkilerde hastalıklara dayanıklılığı artırmak için diğer bir yol aşı oluşumu ile ilgilidir. Kültüre edilmiş tütün hücreleri, vektör olarak Agrobacterium Ti plazmidleri kullanılarak, TMV kılıf proteini için cDNA klonu ile transforme edilebilir. Transforme olan hücrelerden meydana gelen bitkiler hem mRNA ve hem de TMV kılıf proteinini ifade (ekspres) edebilir. Transforme edilen bitkiler TMV enfeksiyonuna daha az duyarlıdırlar. Transforme olan bitkilerin % 60 kadarı TMV ile aşılandığı zaman semptomlar gelişmez, geri kalanında ise semptomların ortaya çıkmasında gecikme meydana gelir. 1993 yılına kadar rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak değiştirilen en azından 18 büyük kültivar tarlalarda test edilmiştir. Bu çalışmaların çoğunluğu herbisit, böcek ve virüslere tolerans şeklindedir. BİTKİ M ETABOLİZM ASI Yeni biyoteknoloji ile yürütülmesi gereken olaylardan birisi verimi artırmaktır. 1960-1970‘li yıllarda besin ürünlerinin verim ve kalitesini artırmak için yoğun bir bitki ıslah programı uygulanmıştır. Yeşil devrim olarak adlandırılan bu programın özellikle gelişmekte olan ülkelere yarar sağlayacağı umulmaktadır. Besin üretimini artırmak için genetik mühendisliği kapsamında



BÖLÜM 21 BİTKİ FİZYOLOJİSİ VE BİYOTEKNOLOJİ



425



da çalışmalar yapılmaktadır. Örneğin pestisitlere ve hastalıklara karşı dayanıklılığın kazandırılması verimi artıracaktır. Bitki biyoteknologları fotosentezle ilgili olarak net karbon kazancını artırmak için bir gayret içerisindedirler. Bu konu ile ilgili olarak Rubisco’nun oksigenaz aktivitesini, karboksilaz fonksiyonunda herhangi bir olumsuzluğa meydan vermeden azaltma çalışmaları yapılmaktadır (bak Bölüm 10) . Diğer bir konu ise azot fıksasyonu ile ilgili olup, daha önce bu konuda (bak Bölüm 6) yeterince bilgi verilmiş idi. BİTKİSEL ÜRÜNLER Yakıtlar: Dünyadaki fosil yakıtlarının hızla azaldığı herkes tarafından bilinmektedir. Bunun için alternatif yakıt kaynaklarının bulunması mutlaka gerekmektedir. En önemli kaynaklardan birisi güneştir ve en iyi güneş enerjisi dönüştürücüleri ise bitkilerdir. Bitkisel materyallerinden veya biyomasdan enerji elde etmek için çeşitli yollar vardır. En önemlisi akım yada elektrik üretmek için biyomasm direkt tüketilmesidir. Diğer yollar ise biyoması, sıcaklık uygulayarak (pirolisis) sıvı yağlara veya gazlara (gazifikasyon) dönüştürmektir. Bu dönüşümleri sağlamak için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Örneğin gaz üretimi için 1500 °C ‘den daha fazla sıcaklığa ve düşük oksijene ihtiyaç vardır. Aynı zamanda anaerobik koşullarda bakteriyel faaliyetle biyomas metana dönüştürülebilir. Burada meydana gelen metanrkarbondioksit oranı yaklaşık 2 :l’dir. Alternatif olarak nişastanın diğer kaynakları ve hububat taneleri, maya fermentasyonuyla etanole dönüştürülür. Güneş enerjisini dönüştüren en önemli bitki ve dolayısıyla etanol fermentasyonu için en iyi kaynak şekerkamışıdır. Etanol üretiminde dünya lideri Brezilya’dır. 1980’lerin ortalarında Brezilya’nın ihtiyaç duyulan toplam sıvı enerjinin % 20’sinden daha fazlasını etanolden karşıladığı kaydedilmiştir. Başka önemli faydaları da vardır. Aşırı elektrik üretmek için rafine etme safhalarında yeterli akım üretilir ve arıtılan şekerin artık ürünleri, pelletler halinde sıkıştırılır ve daha fazla elektrik üretmek için oluşturulan istasyonlarda yakıt olarak kullanılır. Bu elektriğin bir kısmı şekerkamışı ürünleri için gübre üretmede kullanılır. Diğer bir alternatif yakıt kaynağı birçok bitkinin tohumlarında depoladığı sıvı yağlardır. Örneğin ayçiçeği tohumlarının yağ içeriği ağırlık olarak % 40-45 dir. Bu yağ dizel yağı yerine çiftlik araçlarında doğrudan kullanılabilir.



426



Bitkilerdeki sıvı yağlar etanolden çok daha fazla indirgenmişlerdir. Öyle ki bunların enerji içeriği fuel oilin enerjisine çok yakındır. Diğer bitki yağlarının çoğunluğu trigliserit yapısında olduğundan direkt yakıt olarak kullanılamaz. Bu tip yağlarda öncelikle gliserol yağ asitlerinden ayrılmalıdır. Dizel yakıtlarına oranla bitki yağları daha fazla avantaja sahiptir. Şöyle ki bitki yağları yenilenebilir bir kaynaktır, önemli bir eneıji çıkışma sahiptirler ve çok temiz yanarlar. Diğer bitkisel ürünler: Karbohidratlara ilave olarak yağ asitleri ve diğer bileşikler primer metabolizma ile ilgilidir. Bunun yanında bitkilerin büyük bir çoğunluğu sekonder metabolitleri üretirler. Sekonder bileşikler alkaloidler ve t



diğer drogları, sakız, reçine, esensiyal yağlar ve diğer birçok bileşikten oluşur. Bunların biyolojik rolleri tam olarak anlaşılamamıştır. Bunların çoğunluğu yıllarca insanlar tarafından kullanılmaktadır. 1820’lerde kullanılan ilaçların %70’inin bitkisel orijinli olduğu, günümüzde ise bu oranın % 25’e düştüğü kaydedilmiştir. Eczacıların en çok üzerinde çalıştıkları konulardan birisi de kanserle ilgili bitkisel orijinli kemoterapik droglardır. Son yıllarda Taxus brevifolia iç mantar tabakasından ekstrakte edilen bir diterpenoid (taksol) bir antitümör ajanı olarak ovaryum ve göğüs kanserlerine karşı tavsiye edilmektedir.Tabii ilaçların fabrikada üretilen ilaçlara tercih edilmesinin nedeni, büyük oranlarda üretilmeleri ve ucuz olmalarıdır.



BOLUM



BİTKİLERİN STRES FİZYOLOJİSİ Fizyoloji, normal olarak ideal çevre şartlarındaki bitkilerle ilgilenir. Fakat, bitkilerin nadiren ideal (olumlu) şartlarda büyüdüğü herkes tarafından Jt



•



bilinir. Bitkilerin yetiştiği ve geliştiği ortamlarda genellikle bazı faktörler eksik ve ba'zı faktörler de ideallikten dldukça uzaktır. Bitkiler bir veya daha fazla olumsuz- faktöre karşı-sınırlı- bir rekabet kapasitesine sahiptir. Bu durumda organizmalar önemli derecede bir str e se , m a r u z kalır ve bu stres durumunu ortadan kaldırmal^sakrrp ja k vey^aşm al^ıçin çeşitli biyokimyasal ve fizyolojik mekanizmalarını devreye sokarlar. Stres, çevresel ve biyolojik faktörlerin ayrı ayrı ya da birlikte fizyolojik olaylarda belirgin değişimler meydana getirmesidir. Stresin şiddeti ve süresi uzarsa, bitkide hasar meydarıa gelebilir Hasar bir metabolizma bozukluğu sonucunda oluşur, bitkinin büyümesinde ve veriminde azalmaya neden olur. Yukarıda belirtildiği gibi canlıların stressiz bir ortamda yaşamaları nadir bir olaydır. Bu durumda çıfır stres teriminden bahsedilir. Sıfır stres, canlılarda hasar meydana getirmeyen, verim ya da kalitede bir indirgenmeye yol açmayan bir ortamda yaşamayla sağlanır. Bu da bitkiler açısından büyüme için optimum olan koşullarda sağlanır. Araştırmaların büyük bir kısmının stres altındaki bitkiler üzerinde yapılmasının iki nedeni vardır. Birincisi, fizyolojik olayların mekanizmalarını anlamak ve belirli stres tipleri tarafından bu mekanizmaların nasıl çalıştığını belirlemektir. İkincisi, zirai alanlarda bitkiler bir ya da daha fazla stres altında olabilir. Bu nedenle strese dayanıklı bitkiler elde edilmesi ekonomik bakımdan oldukça önemlidir. Bu gibi zirai problemler daha çok kışın soğuğundan, erken donmadan ve uzun süren kuraklık periyodundan kaynaklanır.



428



Bilindiği gibi yeryüzünün karasal alanlarının % 10'undan daha az bir kısmı ziraat için uygundur. Bu nedenle kullanılmayan alanların nasıl kullanılabilir bir duruma getirileceğini araştırmak



ve bit aşırı olumsuz



şartlardaki stresi tolere etmek ya da bu şartlara uyabilen toleranslı bitkiler geliştirmek gerçekten çok önemlidir. Eğer strese (tolerans) ve