Bitkiler, dünyanın en eski canlı türlerinden biridir ve bugüne kadar sayısız tehlikeyle karşı karşıya kalmışlardır. En basitinden baharda gördüğümüz bir çiçeği sırf çok hoşumuza gittiği için kökünden ayırmak bile bitkinin maruz kaldığı tehlikelerden biridir. Ancak günümüzde bitkilerin ve diğer canlıların karşılaştığı en büyük tehlike kuraklıktır.

Bitkiler Ve Kuraklık

Bitkiler başta cansızmış izlenimi bıraksa da bilindiği gibi bu canlılar da tıpkı bizler gibi solunum yapan, çevresini algılayan hatta hareket eden canlılardır. Her canlıda olduğu gibi metabolik ve fizyolojik mekanizmalar bitkilerde de bulunmaktadır. Bitkilerin kuraklık, tuz gibi stres faktörlerine karşı oluşturduğu metabolik ve fizyolojik savunma mekanizmaları “stres cevabı” olarak değerlendirilmektedir. Plant Physiology (Bitki Fizyolojisi) Dergisi’nde yayınlanan bir makalede, bitkilerin gösterdikleri stres incelenerek kuraklığa uyum sağlama noktasında kendilerine yardımcı olabilecek genler tespit edilmiştir. Bu genler, bitkilerin kuraklık karşısında geliştirdiği savunma mekanizmalarıyla ilişkilidir.

Yapılan çalışmada bitki olarak domates tercih edilmiştir. Deney sürecinde domates grupları; normal koşullarda ve hafif-orta-aşırı kurak şeklinde derecelendirilmiş ortamlarda büyütülmüştür. Domates gruplarının dokularından, domatesler olgunlaşmadan önce ve sonra olmak üzere kesitler alınmıştır. Meyvenin meyve zarı (pericap), orta kısımları (septum) gibi 6 farklı bölgeden kesitler alınarak gen ifadeleri takip edilmiştir. Gen ifadeleri PCR analiz metotları ve biyoinformatik programlar ile tespit edilebilmektedir. Çalışma, gen ifade miktarlarını ve genlerin daha çok hangi kısımda aktif olduğunu göstermesi açısından bir ilk olmuştur.

Araştırma sonucunda, her bir farklı dokunun benzersiz şekilde geliştiği bulunmuştur. Araştırmacılardan Carmen Catala, kuraklık stresinden etkilenen 6 farklı doku arasında %1 oranından daha az genin ortak olduğu ve %50’den daha fazlasının ise dokulara özgü olduğunu ifade etmiştir. Orta dereceli kuraklığın neden olduğu şekil bozukluğu gibi olumsuz etkilerin yanı sıra olumlu etkiler de gözlemlenmiştir. Örneğin, domatese kırmızı rengini veren “likopen” pigmentinde ve domatesin tatlanmasına yardımcı olan nişasta miktarında artış tespit edilmiştir. Kuraklık sonucunda, tepki olarak ifade edilen genlerin seçilerek bitkilerin kuraklık stresine uyum sağlamasına yardımcı olabileceği öngörülmüştür. Ayrıca araştırmanın bir diğer sonucu, domatesin kuraklık stresine karşı eğitilebilir olmasıdır. Sonraki nesilde yetiştirilen tohumların kuraklığa karşı daha dayanıklı olduğu belirlenmiştir. Epigenetik düzenlemelerin bu durumun açığa çıkmasının nedeni olduğu düşünülmektedir.

Epigenetik Nedir?

İnsanın saç şekli, göz rengi, boyu gibi özellikleri kromozomlar üzerinde bulunan gen dizilimlerine göre belirlenmektedir. Benzer şekilde bitkilerin; renkleri, yaprak şekilleri, yaprak kalınlığı genlerle belirlenmektedir. Aktif olan genler hormonların üretilmesini sağlamaktadır. Bitki fizyolojisi hormonlarla şekillenmektedir. Örneğin; oksin hormonunun salgılanması ile kök oluşumu sağlanırken, etilen hormonu meyvenin olgunlaşmasına yardımcı olur.

Gen dizileri kromozomda histon proteinlerine sarılı halde bulunmaktadır. Epigenetik; ATCG gibi dizi içinde direkt değişiklik yerine, histon proteinlerine asetil ve metil gruplarının eklenmesiyle oluşan gen aktivasyonu değişimine denmektedir. Epigenetik değişiklikler bir sonraki nesle geçebilmektedir. Hücrelerin yenilenmesini sağlamak, hücre miktarını düzenlemek için kullanılmaktadır. Ancak; zararlı besinler, stres ve çevre kirliliği gibi dış faktörlerin epigenetik değişikliklere yol açtığı gözlemlenmiştir.

Bitkilerin yeryüzündeki gelişim süreçleri içerisinde karşılaştıkları eksik veya fazla karbondioksit, zararlı gazlar, mineral yetersizliği gibi problemleri aşarak çöl, kutup ve deniz altı gibi ekstrem ortamlarda büyüyüp geliştiğini de gözlemleyebiliyoruz. Ancak bu süreçler çok uzun yıllar içerisinde gerçekleşiyor.

NASA verilerine göre iklim değişikliği sonucunda yeryüzü neredeyse 10 kat daha hızlı ısınmaktadır. Bu kadar hızlı bir iklim değişikliği bitkiler üzerinde büyük bir stres oluşturacaktır. Bitkilerin bu strese ne kadar sürede uyum sağlayabileceği ise bilinmemektedir. Yapılan çalışmalarla bitkilerin kuraklığa karşı daha dayanıklı hale getirilmesi ve hızlı iyileşmeleri hedeflenmektedir.

Bitkilerde Kuraklık Stresine Bağlı Stoma Değişimi

Bitkilerin kuraklık stresine tepkisi, stomalarının (yapraklarının alt ve üst yüzeyinde bulunan gözenekler) değişimiyle yakından ilgilidir. Stomalar, bitkilerin fotosentez ve transpirasyon (yani su buharının yapraklardan atmosfere geçişi) süreçlerini düzenler. Kuraklık sırasında bitkiler, su kaybını azaltmak ve su kullanımını optimize etmek için stomalarındaki açıklığı ve kapanışı düzenler.

Kuraklık koşullarında, bitkiler stomalarını kapatmaya veya açıklığını azaltmaya eğilimlidir. Bu, su buharı kaybını (transpirasyon) sınırlar ve su kullanım verimliliğini artırır. Bununla birlikte, stomaların kapanması veya açıklığının azalması, fotosentez oranlarının düşmesine yol açabilir, çünkü stomalar karbondioksit (CO2) alımını da düzenler. Bu nedenle, bitkilerin stomalarındaki değişimleri, su kaybını en aza indirirken fotosentez verimliliğini korumaya çalışan hassas bir dengeleme görevi görür.

Stomaların açılması ve kapanması, çeşitli sinyal moleküllerinin ve hormonların etkisiyle gerçekleşir. Kuraklık koşullarında, abscisic asit (ABA) adı verilen bir bitki hormonu önemli bir rol oynar. ABA, hücre içindeki su potansiyelinde düşüşe neden olarak stomaların kapanmasına yol açar. Bu durum, su kaybının azalması ve bitkilerin kuraklık stresine dayanıklılığı için önemlidir. Su kıtlığı stresine maruz kalmış bitkilerin yaprak dokularında, ABA miktarının normalden 40 kat fazla olduğu ve bu değişimin kökler ve diğer dokularda daha az düzeyde olduğu belirlenmiştir. ABA’nın yapraklardaki artışı stomaların kapanarak transpirasyonun ve sürgün gelişiminin azalmasına neden olur. Bunun yanında absisik asidin düşük konsantrasyonları, köklerden alınan suyun artmasına ve böylece sürgünlerdeki su stresinin azalmasını sağlar.

Kuraklık süresince bitkiler, stomalarının davranışlarını ve morfolojisini değiştirerek ve su kaynaklarını daha verimli kullanarak uyum sağlamaya çalışır. Bu adaptasyonlar, bitkilerin çevre koşullarına daha iyi dayanmasına ve hayatta kalmasına yardımcı olur.

Bitkilerin Abiyotik Stres Faktörlerine Verdiği Cevaplar

Kuraklık stresi, bitkilere su kıtlığı veya fizyolojik kuraklık nedeniyle etki eden bir abiyotik stres türüdür. Fiziksel kuraklık, yaşam ortamında su kıtlığından kaynaklanırken, fizyolojik kuraklık, donma veya mineral dengesizlikleri nedeniyle bitkinin su alımında sorunlara yol açar. Bitkiler, kuraklık koşullarında farklı stres cevaplarıyla adaptasyon sağlayarak başarılı olurlar.

Bitkilerin abiyotik strese karşı tepkileri, stres yoğunluğuna ve süresine bağlı olarak dinamik ve karmaşıktır. Bitkilerin stres faktörlerine göre geliştirdikleri cevaplar ve tolerans düzeyleri değişir. Abiyotik stres etkisine karşı, bitkiler genellikle dört aşamalı bir cevap oluştururlar:

1- Başlangıç alarm evresi, 2- Aklimasyon evresi, 3- Onarım evresi ve 4- Tükenme evresi

Abiyotik çevresel faktörlerin bitkilere uyguladığı stresin tanımlanması karmaşıktır, çünkü stresin boyutları ve etkileri türden türe değişir. Ekolojik stres, bitki yaşam alanında metabolik iç dengeyi bozan ve büyümede değişikliklere neden olan faktörler olarak tanımlanır. Abiyotik stres, bitkileri etkileyen kuvvetli ışık, ultraviole, yüksek ve düşük sıcaklık, donma, kuraklık, tuzluluk, ağır metaller ve yetersiz oksijen gibi faktörleri kapsar.

Stres faktörleri bitkilerin yaşam ve büyümesini önemli ölçüde etkileyebilir. Bu faktörlerin karmaşık ve dinamik doğası, bitki araştırmalarında önemli ve zorlayıcı bir konu haline gelmiştir. Bitkiler, abiyotik streslere karşı dört aşamalı bir cevap geliştirerek çevresel şartlara adapte olmaya çalışır. Özellikle kuraklık stresi, bitkilerin su alımı ve su potansiyeli üzerinde önemli etkilere sahip olup, bitki türlerinin adaptasyon yeteneklerine bağlı olarak farklı tepkiler gösterir. Bu nedenle, bitkilerin abiyotik stres faktörlerine karşı geliştirdiği cevapları anlamak ve iyileştirmek, tarım ve bitki bilimi alanlarında sürdürülebilir gelişim ve verimlilik açısından kritik öneme sahiptir.