Ekspansin Ailesinin Bitki Gelişimi Üzerindeki Etkileri
Fatma Zehra Özen – Kastamonu Üniversitesi, Genetik ve Biyomühendislik Bölümü
Günümüze kadar gerçekleştirilen çalışmalar ile ekspansin genlerinin bitkilerde çimlenmeden meyve oluşumuna kadar olan evrelerde aktif rol oynadığı kanıtlanmıştır ve konu üzerinde araştırmalar halen devam etmektedir. Ekspansin ailesinin bitkilerde hangi evreleri ne şekilde etkilediğini anlayabilmek için alt başlıkları incelemeye başlayalım.
Çimlenme Üzerine Etkileri
Çimlenme, sırasıyla uykuya neden olan ve kıran absisik asit (ABA) ve giberellinler (GA) gibi hormonlar tarafından düzenlenen bir süreçtir. Maliyet ve verim göz önüne alındığında çiftçilere, fide oluşumunu teşvik edecek daha yüksek çimlenme yüzdeli tohumları kullanmaları tavsiye edilmektedir. [1] Çimlenmenin erken aşamalarında, tohum çok sayıda anahtar metabolik enzimin değişikliğine uğrayarak ilgili ekspansinler uyarılmaktadır. [1,2]
Ekspansin genlerinin bitki çimlenmesi üzerine etkilerini araştırmak için yapılan bir çalışmada; Arabidopsis türünde AtEXP2 ekspansin geninin ifadesinin çimlenen tohumlarda giberellinler tarafından indüklenmiş olduğu ancak bunun aksine, tohumlara absisik asit konsantrasyonu ile tedavi uygulandığında AtEXP2 ekspansin geni ifadesinin önemli ölçüde etkilenmediği görülmüştür. [3]
Yaprak Büyümesi Üzerine Etkileri
Bitkinin temel morfolojik kısımlarından biri olan yaprağın gelişimi oldukça karmaşık bir durumdur. [1]
Ekspansin genlerinin yaprak büyümesi üzerine etkilerini araştırmak için Pien ve arkadaşları 2001 yılında tütün bitki türü üzerinde çalışmışlardır. Çalışma sonuçlarını analiz ederek yaprak başlatma evresinde ekspansin genlerinin rol oynadığı kanıtlanmıştır. CsEXPA1 ekspansin geni bu araştırmada çalışılan genlerdendir. Araştırma sonucunda meristem içindeki ekspansinlerin gen ifadesinin, yaprak oluşumu sürecinin tamamını özetleyen bir gelişim programı oluşturduğunu kanıtlanmıştır. [4]
Gerçekleştirilen diğer birçok çalışma ile ekspansin genlerinin aşırı ifade edilmesinin veya bastırılmasının yaprak gelişimi evresinde olumlu veya olumsuz sonuçlar doğurabileceği gösterilmiştir. [1] Cho ve Cosgrove’nın 2000 yılında AtEXP10 ekspansin geni üzerinde yürüttükleri araştırma ile bu ekspansin geninin baskılanması durumunda, yaprak büyüklüğünün antisens çizgilerinde önemli ölçüde azaldığını ve aşırı gen ifadesi durumunda ise biraz daha büyük yaprakları olan bitkilerle sonuçlandığını ortaya konulmuştur. [5]
Stomaların Açılması ve Kapanması Üzerine Etkileri
Stomalar, bitkilerin bulundukları ortama ve koşullara uyum sağlayabilme konusunda hayati önem taşımaktadır. Stomaların açılması ve kapanması, çevresel faktörlere yanıt olacak biçimde çeşitli hücre içi ve hücre dışı faktörler tarafından sıkı bir şekilde düzenlenmektedir. [1] Yapılan çalışmalarda AteEXPA1 ve VfEXPA1 ekspansin genlerinin koruyucu hücre duvarının yapısını değiştirerek stoma açıklığını düzenlediği ortaya konulmuştur. Arabidopsis ve tütün bitkilerinde bu ekspansin genlerinin aşırı ekspresyonunun ışığa bağlı stoma açılma oranını arttırırken, inhibisyonları stomanın aynı uyarana duyarlılığını azalttığı sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca bu araştırmacılar, yabani tip bitkilerinde neredeyse iki katı olan ekspansin genlerinin aşırı ekspresyonunun terleme ve fotosentez hızında da artışa neden olduğunu bildirmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda ekspansinler tarafından kontrol edilen hücre duvarı genişlemesi ve daralmasında oynadığı rol ile koruyucu hücrelerin hücre duvarlarını modifiye edebildiği için stomaların hareketlerinin düzenlenmesinde rol oynadığı sonucuna varılmıştır. [6,7]
Kök Uzaması Üzerine Etkileri
Topraktan çıkan bitkilerin çoğu meyve vermeye başlamadan önce kök boyutlarını artırmalarını sağlayan bir mekanizmaya sahip olmalıdır. Cho ve Kende tarafından 1997 yılında gerçekleştirdikleri çalışma sonucu OsEXPA2 ve OsEXPA4'ün ifadesinin suya batma ve giberellin tedavisi ile tetiklendiğini belirten bir rapor yayınlanmıştır. Bu tespitten sonra bilim insanları, ekspansinlerin pirinç sapı uzamasına katılımı hakkında araştırmalarını arttırmışlardır. [8] Ardından yapılan çalışmalar sonucunda OsEXPB3, OsEXPB4, OsEXPB6 ve OsEXPB11 dahil olmak üzere birçok ekspansin geninin pirinç sapı uzamasında etkin olduğu görülmüştür. [9] Kök uzamasında ekspansin genlerin etki mekanizması üzerine çalışmalar devam etmektedir.
Üremeye Etkileri
Çeşitli ekspansinler ağırlıklı olarak bitki üreme organlarında ifade edilmektedir. [9] Tozlaşma, çiçekli bitkilerde üreme evresinin çok önemli bir parçasıdır. Tozlaşma, polen tüpü gelişimi ve gübrelemesi sırasında ekspansin genlerinin oynadığı rolü aydınlatmak üzerine çalışmalar devam etmesine rağmen, pirinç polen ve mısır polen tanelerinde yapılan araştırmalarda bazı B-ekspansinleri bildirilmiştir. Bu ekspansin genlerinin stigma hücre duvarlarını yumuşatıcı etkiye sahip olduğu düşünülmektedir. Stigma hücre duvarının gevşetilmesi ve yumuşatılması ihtiyacının bilinmesi araştırmacıların polen tüpü gelişimi ve döllenmesi sırasında ekspansinlerin rol oynama olasılığının olduğu sonucuna ulaştırmıştır. Bu fikir, kuru polen tanelerinde, polen emilimi ve polen tüpü büyümesi sırasında güçlü bir şekilde ifade edilen AtEXPA4 ve AtEXPB5 ekspansinlerinin keşfi ile desteklenmiştir. [10-17]
Meyve Olgunlaşması ve Yumuşamasına Etkileri
Hormonlar ve çevre bitkilerin büyüme ve gelişiminde önemli bir rol oynamaktadır. [1] Birçok meyvenin olgunlaşması sırasında, duvar polisakkaritleri, meyve gelişiminin son aşamalarında özel olarak sentezlenen bir dizi sindirim enzimi tarafından hidrolize edilmektedir. [18,19]
Yapılan çalışmalarda α-ekspansin geni Le-EXP1'in domates meyvesi olgunlaşması aşamalarında spesifik olarak ifade edildiği ve meyve olgunlaşmasında rol oynadığı tespit edilmiştir. Domates üzerinde yürütülen çalışmalarda meyve olgunlaşması sırasında yüksek oranda ifade edilen ekspansinlerin meyve yumuşamasına katkıda bulunduğu onaylanmıştır. [20,21]
Diğer çalışmalar ile dağ papayası (Vasconcellea pubescens) ve magnolya ağacı (Magnolia grandiflora) meyvelerinde olgunlaşmayla ilgili ekspansinlerin olduğunu bildirilmiştir. [22,23]
Yukarıdaki çalışmalar sayesinde meyve olgunlaşması ve yumuşatılması sırasında ekspansinlerin önemli rol oynadığı tespit edilmiştir. Ayrıca meyve yumuşaması durumlarının ticaret alanında da etkin rol oynadığı ve meyvelerin raf ömrünü uzatmak maksadı ile çalışmalar yapıldığı bilinmektedir. Tüm dünyada üretimi ve tüketimi yapılan birçok meyve veya sebzenin raf ömrünü uzatmak ekonomik yönden olumlu sonuçlar doğurabilir.
Mahsul Verimi Üzerine Etkiler
Verim üzerine etkilerin araştırılması için β-expansin geni (IbEXP1) üzerinde yapılan çalışmalarda, ekspansin genlerinin tohum gelişimi ve büyüklüğü üzerinde etki ettiği gösterilmiştir. [24] Ekspansinler sadece tohum verimini değil, aynı zamanda diğer verim türlerini de etkileyebilmektedir. Örneğin, ekspansinlerin yumru köklerinin boyutlarını arttırdığı literatürde bilinmektedir. [25] Verim nicel bir özellik olsa da, ekspansinler birçok farklı bitkide verim konusunda yararlı bir araç olabilir sonucuna varılmaktadır. Ancak bazı istisnalar mevcuttur, örneğin RhEXPA4 ekspansin geninin Arabidopsis'te yüksek seviyelerde aşırı gen ifadesi bitki doğurganlığını etkilemiş ve tohum üretiminde %80'lik bir kayıpla sonuçlanan çiçek sayısının azalmaya yol açmıştır. Bu nedenle bu alanda daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. [26]
Biyotik ve Abiyotik Stres Toleransı Üzerine Etkileri
Yapılan araştırmalarda yeniden canlanma yetisine sahip bitkilerde, ekspansin genleri için transkript bolluğunun, bitkide dehidrasyon (su kaybı) olayları ile yakından ilişkili olduğu ve bunun kuruma toleransının sağlanmasında etkin rol oynadığı sonucuna varılmıştır. [27] Buğday ve tütün bitkileri ile yapılan çalışmalarda ekspansinlerin bitkilerde çevresel stres toleransı ile ilişkili olduğuna dair kanıtlar sağlanmıştır. Kuraklık, soğuk algınlığı ve tuzluluk gibi abiyotik gerilmeler, reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimi ve birikimine neden olmaktadır. Bunlar bitkiler için etkin derecede reaktif ve toksik olabilmektedir. [28-30] Yapılan tüm bu çalışmalar sonucunda ekspansinlerin bitkilerde biyotik ve abiyotik stres toleransına etki ettiği kanıtlanmıştır.
Referanslar
1. Marowa, P., Ding, A. & Kong, Y. (2016). Expansins: Roles İn Plant Growth And Potential Applications İn Crop İmprovement. Plant Cell Rep. Doi: 10.1007/s00299-016-1948-4
2. Weitbrecht, K., Müller, K. & Leubner-Metzger, G. (2011). First Off The Mark: Early Seed Germination. J Exp Bot 2011 Jun;62(10):3289-309. Doi: 10.1093/jx/err030.
3. Yan, A., Wu, M., Yan, L., Hu, R., Ali, I. & Gan, Y. (2014). AtEXP2 Is Involved in Seed Germination and Abiotic Stress Response in Arabidopsis. PLoS One 2014; 9(1): e85208. doi: 10.1371/journal.pone.0085208.
4. Pien, S., Wyrzykowska, J., McQueen-Mason, S., Smart, C. & Fleming, A. (2001). Local Expression Of Expansin İnduces The Entire Process Of Leaf Development And Modifies Leaf Shape. Proc Natl Acad Sci USA 98: 11812–11817
5. Cho, H. T. & Cosgrove ,D. J. (2000). Altered Expression Of Expansin Modulates Leaf Growth And Pedicel Abscission İn Arabidopsis Thaliana. Proc Natl Acad Sci USA 97: 9783–9788
6. Wei, P., Chen, S., Zhang, X., Zhao, P., Xiong, Y., Wang, W., Wang, X. (2011a). An a-expansin, VfEXPA1, is involved in regulation of stomatal movement in Vicia faba L. Chin Sci Bull. 2011;56(33):3531–3537. doi: 10.1007/s11434-011-4817-0
7. Wei, P.C., Zhang, X.Q., Zhao, P., Wang, X.C. (2011b). Regulation Of Stomatal Opening By The Guard Cell Expansin Atexpa1. Plant Signal Behav. 2011;6(5):740–742. doi: 10.4161/psb.6.5.15144
8. Cho, H.T., Kende, H. (1997). Expansins İn Deepwater Rice İnternodes. Plant Physiol 113:1137–1143
9. Lee, Y., Kende, H. (2001). Expression of beta-expansins is correlated with internodal elongation in deepwater rice. Plant Physiol 127(2):645–654
10. Lausser, A., Kliwer, I., Srilunchang, K.O., Dresselhaus, T. (2010). Sporophytic control of pollen tube growth and guidance in maize. J Exp Bot. 2010;61(3):673–682. doi: 10.1093/jxb/erp330
11. Dai S, Wang T, Yan X, Chen S. (2007). Proteomics of pollen development and germination. J Proteome Res. 2007;6(12):4556–4563. doi: 10.1021/pr070474y
12. Kapu NUS, Cosgrove DJ. (2010). Changes in growth and cell wall extensibility of maize silks following pollination. J Exp Bot. 2010;61(14):4097–4107. doi: 10.1093/jxb/erq225
13. Li L, Bedinger PA, Volk C, Jones AD, Cosgrove DJ.(2003). Purification and characterization of four beta-expansins (Zea m 1 isoforms) from maize pollen. Plant Physiol. 2003;132(4):2073–2085. doi: 10.1104/pp.103.020024
14. Valdivia ER, Cosgrove DJ, Stephenson AG. (2006). Role of accelerated style senescence in pathogen defense. Am J Bot. 2006;93(11):1725–1729. doi: 10.3732/ajb.93.11.1725
15. Valdivia ER, Wu Y, Li L, Cosgrove DJ, Stephenson AG. (2007). A group-1 grass pollen allergen influences the outcome of pollen competition in maize. PLoS One. 2007;2(1):e154. doi: 10.1371/journal.pone.0000154
16. Valdivia ER, Stephenson AG, Durachko DM, Cosgrove D. Class B. (2009). beta-expansins are needed for pollen separation and stigma penetration. Sex Plant Reprod. 2009;22:141–152. doi: 10.1007/s00497-009-0099-y.
17. Mollet JC, Leroux C, Dardelle F, Lehner A. (2013). Cell wall composition, biosynthesis and remodeling during pollen tube growth. Plants. 2013;2(1):107–147. doi: 10.3390/plants2010107
18. Rose, J. K. C. & Bennett, A. B. (1999) Cooperative disassembly of the cellulose-xyloglucan network of plant cell walls: parallels between cell expansion and fruit ripening. Trends Plant Sci. 4, 176–183 (1999)
19. Fischer, R. L. & Bennett, A. B. (1991). Role of cell wall hydrolases in fruit ripening. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 42, 675–703 (1991)
20. Rose JK, Lee HH, Bennett AB. (1997). Expression of a divergent expansin gene is fruit-specific and ripening-regulated. Proc Natl Acad Sci USA. 1997;94(11):5955–5960. doi: 10.1073/pnas.94.11.5955
21. Minoia S, Boualem A, Marcel F, Troadec C, Quemener B, Cellini F, Bendahmane A (2015) Induced mutations in tomato SlExp1 alter cell wall metabolism and delay fruit softening. Plant Sci:1–8
22. Gaete-Eastman C, Morales-Quintana L, Herrera R, Moya-León MA. (2015). In-silico analysis of the structure and binding site features of an α-expansin protein from mountain papaya fruit (VpEXPA2), through molecular modeling, docking, and dynamics simulation studies. J Mol Model. 2015;21(5):115. doi: 10.1007/s00894-015-2656-7
23. Lovisetto A, Masiero S, Rahim MA, Mendes MAM, Casadoro G. (2015). Fleshy seeds form in the basal Angiosperm Magnolia grandiflora and several MADS-box genes are expressed as fleshy seed tissues develop. Evol Dev. 2015;17(1):82–91. doi: 10.1111/ede.12106
24. Bae JM, Kwak MS, Noh SA, Oh MJ, Kim YS, Shin JS. (2014). Overexpression of sweetpotato expansin cDNA (IbEXP1) increases seed yield in Arabidopsis. Transgenic Res. 2014;23(4):657–667. doi: 10.1007/s11248-014-9804-1
25. Noh A, Lee H, Kim Y, Paek K, Beatrice M (2013) Down-regulation of the IbEXP1 gene enhanced storage root. In: Posidonia oceanica cadmium induces changes in DNA development in sweetpotato methylation and chromatin patterning, 64(1):129–142
26. Lü, P., Kang, M., Jiang, X., Dai, F., Gao, J., Zhang, C. (2013) Rhexpa4, A Rose Expansin Gene, Modulates Leaf Growth And Confers Drought And Salt Tolerance To Arabidopsis. Planta 237(6):1547–1559
27. Jones L, McQueen-Mason S. A. (2004). Role for expansins in dehydration and rehydration of the resurrection plant Craterostigma plantagineum. FEBS Lett. 2004;559(1–3):61–65. doi: 10.1016/S0014-5793(04)00023-7.
28. Han Y, Chen Y, Yin S, Zhang M, Wang W. (2014). Over-expression of TaEXPB23, a wheat expansin gene, improves oxidative stress tolerance in transgenic tobacco plants. J Plant Physiol. 2015;173:62–71. doi: 10.1016/j.jplph.2014.09.007
29. Zhao MR, Li F, Fang Y, Gao Q, Wang W. (2011). Expansin-regulated cell elongation is involved in the drought tolerance in wheat. Protoplasma. 2011;248(2):313–323. doi: 10.1007/s00709-010-0172-2.
30. Li F, Xing S, Guo Q, Zhao M, Zhang J, Gao Q, Wang W. (2011). Drought tolerance through over-expression of the expansin gene TaEXPB23 in transgenic tobacco. J Plant Physiol. 2011;168(9):960–966. doi: 10.1016/j.jplph.2010.11.023