İklim Değişikliğinin Bitkiler Üzerinde Moleküler Değişimleri
Zeynep SALGIN – Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Edebiyat Fakültesi, Bilecik Şeyh Edebâli Üniversitesi
İklim değişikliği tüm dünya için global çapta, sadece insanlar üzerinde değil tüm ekosistem ve canlılar için büyük bir tehdit ve olumsuz etkilere sebep oluyor. Doğa dengesinin bozulması biyoçeşitliliği azaltırken, geriye dönüşü olmayan tahribatlar ve kaynakların yok olması da iklim değişikliğinin sonuçları arasında yer almaktadır[1]. Bu değişimlerin temel sebepleri ise insan kaynaklı yapılan çalışmalarla birlikte, artan tüketim çağında sera etkisi, karbondioksit artışları, ormansızlaşma, buzulların erimesi, sıcaklık artışları, su kaynaklarının tükenişi, sanayileşme, insan nüfusunun artışı, mevsimlerin düzensizliği ve değişimi gibi daha birçok sebeplerden dolayı iklimler değişmekte ve buna yönelik önleme çalışmaları yapılmaktadır. Özellikle küresel ısınmaya ve çevrenin kirliliğini azaltma konusunda yüksek seviyelerde önlemler ve geri dönüşüm işlemleri yanında sıfır atık projeleri de çalışılmaktadır[2].
Bunlara ilaveten bitki toprak etkileşimleri ve toprak içi ve dışı yaşayan mikroorganizmalarda da değişimler ve adaptasyonlar gözlemlenmiş, bitkiler gibi toprak biyota ve abiyotası da PSF ler olarak değişimlere mecbur kalmıştır. Temiz enerji ve biyolojik çalışmalar ışığında bitkilerdeki fotosentez mekanizmaları da araştırılmış C3 veya C4 gibi farklı şekillerde fotosentez mekanizmalarına sahip bitkilerin ileriki kuraklık görülecek yıllarda nasıl adaptasyon sağlayacağı büyük önem kazanmıştır[3].
C4 diye adlandırılan fotosentez mekanizmasında NAD-ME, NADP-malik enzim ya da PEP karboksilaz gibi etkenlerin de gözlemlenmektedir. Bu etkenlerin biri olan NADME kurak şartlarda su kullanımlarını NAD-ME etkenini kullanan bitki türlerine nazaran fazladır. Ayrıca NAD-ME etkeni bitkileri, maruz kaldığı karbondioksit ortamında diğer etkenlere göre büyüme ve fotosentez işlemlerine göre uyum sağlamasında kolaylık sağlar. Yapılan çalışmalarda da ortaya konulan sonuç ise C4 bitkilerindeki bu birçok stres koşuluna rahatlıkla uyum sağladığı gen ya da moleküler mekanizmaları C3 gibi yoğun bir tüketim oluşturan bitki dağılımına transfer etmeye ve farklı ıslah yöntemleri uygulanmaktadır[4].
İklim değişikliğinden etkilenen olgular arasında toprak ve toprak ile bağlantı kuran her canlı da büyük ölçüde etkilenmektedir. Bitki türlerinin değişime uğraması, hızlı bir şekilde yok oluşmaya başlaması, türlerin değişime uğraması, hem toprak yapısının değişimine etki ederken bu etkiden zarar gören mikroorganizmalar ve yok oluşları da dünya üzerindeki canlı âleminin ve ekosistem döngüsünün farklılaşmasına öncülük etmektedir. Dünya üzerindeki yağış miktarları sıcaklık değişimleri verileriyle ilişkilendirildiğinde bu etki iklimin değişikliği ile beraber buharlaşmanın, topraktaki kullanılabilir su miktarın azalmasının, yağışların azalışının veya farklı değişimlerine neden oluşlarının sebebi olarak gösterilir[5].
Şekil 1: İklim Değişikliği Etkileri.
Yüksek CO2 kapasiteli bitkiler diğer bitkilere nazaran daha çok sayıda mezofil hücrelerine, kloroplastlara, daha uzun sap boyuna ve genişlemeye, büyük kök sayılarının çokluğu gibi birçok faktör açısından farklılık göstermektedirler. Bitkiler fotosentez olayı bakımından genel bir şekilde üç gruba ayrılmaktadırlar. Bu bitkiler C3, C4 ve CAM bitkileri olarak sınıflandırılmışlardır. Dünyadaki bitki nüfusunun %95’i C3 bitkileri örneğin (buğday, pirinç, meyve ve sebzeler), C4 bitkileri ise mısır, şeker kamışı gibi bitkiler olup CAM bitki türleri ise ananas gibi kuraklığa dayanıklı bitkilerdir. Bu üç sınıfa ayrılma sebepleri ise karbonu (fotosentez tepkimesi aşamasında kullanılan enzimler ve CO2) kullanma şekillerinin birbirinden farklı oluşlarıdır. Karbondioksitin sabitlenme işlemleri veya Rubisco, PEP karboksilaz enzimi ve karbonik anhidraz gibi tepkime katalizörleri 15 önemli ölçüde bu bitki sınıflarında farklılıklara sebep olmaktadır. Yüksek sıcaklık koşullarında C3 bitkilerinde fotorespirasyon süreçleri oranı diğerlerine göre daha yüksek seyretmektedir. C4 bitkilerinde ise PEP karboksilaz değil O2 tarafından regüle edilme işlemi gerçekleşir bu nedene bağlı olarak foto-solunum mekanizması ihmal edilebilmektedir[6].
Dünyadaki kara alanlarının %40’ı gibi bir oran, yağışlı kurak, yarı kurak, kuru alt nemli gibi verimsiz alanlar olarak sınıflandırılır ve geleneksel tarım için verimsiz yerler olarak kabul edilir. Bu da C3 ve C4 gibi kültürler için negatif sonuç oluşturur. Su olmasına rağmen sürdürülebilir bir tarım için tehdit oluşturan sebepler ise küresel ısınmayla ilgili reaksiyonlar, şiddetli ve kademeli artış gösteren sıcaklıklar, aşırı düzensiz hava koşulları, tuzluluk ve kuraklık stresleridir.
İklim değişikliği için farklı modellemeler yaparak, sıcaklık artışları, yağış miktarları, ve diğer iklim değişkenliklerinin oluşturduğu etkiyi bitkilerin verdiği tepki veya bitkiler üzerinde oluşturduğu hastalıkları daha da gerçekçi sebeplere dayandırma çalışmaları bu konunun getireceği felaketleri göstermekle kalmıyor bizler için nasıl bir tehdit olduğunu da fark etmemize çaba sağlıyor[7].
Örnek vermek gerekirse bu çalışmalara; 2030, 2050 ve 2080 gibi tarihlerde Torino yakınlarındaki İtalyan üzümlerinde Plasmopara viticola salgınlarının iklim değişikliğinden kaynaklandığını öngören bir modelleme çalışması olmuştur. Atmosferik karbondioksit miktarının artışından kaynaklanan nedenler ile Magnaporthe oryzae (pirinç patlaması) hastalığı, enfeksiyon riskini ve kılıf yanıklığından etkilenen pirinç (Oryza sativa) gibi bitki türlerinin yüzdeliğini artırıcı çalışmalar yapılmıştır[8].
C3 ve C4 Bitkilerinin İklim Değişikliğine Gösterdiği Biyokimyasal ve Moleküler Mekanizmalar
Günümüzdeki küresel iklim değişikliğinin getirdiği olumsuz sonuçlar neticesiyle atmosferde artış gösteren karbondioksit, sıcaklık değerleri veya kuraklık faktörleri ve bu etkilere bitkilerin yanıt veriş mekanizmaları hem fotosentezi hem de bitkilerde oluşturduğu negatif değişimleri dikkate almanın ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Bitkilerde bulunan ve farklı fotosentez mekanizmalarına sahip olan C3 ve C4 bitkileri bu etkenlerden çok fazla etkilenirken, C4 bitkilerinin sahip olduğu NAD-ME, NADP-ME ve PEP karboksilaz mekanizmalarının da etkilenişlerinin farklılığı yapılan çalışmalar neticesinde gözler önüne serilmiştir[9].
Şekil 2: C3 ve C4 Bitkilerinde Organik Moleküllerin Döngüsel Mekanizması[10].
Bu sistemlere sahip olan C4 bitkilerindeki NAD-ME kuraklık toleransında bitkinin kullandığı su ihtiyacını yönetmektedir. Bir diğer sistem olan NADP-ME ise NAD-ME sistemine göre C4 bitkilerinde artış sağlayan CO2 koşulları altında bitkiye fotosentez ve büyüme mekanizmalarında daha fazla etki sağlamaktadır. Artan CO2 koşullarını tolere etme konusunda C4 bitkileri daha aktif iken aynı zamanda su ve azot kullanımı konusunda diğer bitkilere göre daha verimli oluşu yapılan çalışmalar neticesinde gösterilmiştir. Bitkilerin bu iklim değişikliğine gösterdiği değişimler neticesinde bilim insanları C3 bitkilerine C4 bitkilerinin kullandığı mekanizmayı aktarıp ileriki yıllarda iklim şartlarına ayak uydurmalarına katkı sağlayabilmek adına ıslah çalışmaları yürütmektedirler. Bu sebeplere bağlı olarak ve her geçen gün tehlike arz eden iklim değişikliğinden dolayı moleküler yaklaşımlar kullanılarak C3 bitkilerini C4 tipine dönüştürme çalışmaları önem kazanmıştır[11].
Karbondioksit fiksasyonu ve Calvin döngüsü gibi mekanizmalar C4 bitki türlerinde yerleşim olarak farklılık göstererek ışık solunumu engellenirken Crassulacean Asit Metabolizması (CAM) bitkilerinde zamansal ayrımlar göstermektedir. Stoma içerikleri gece sürelerinde açık tutulur ve fikse edilmek istenilen karbondioksit PEP ile birleşim sağlayarak 4karbon oksaloasetik asit sentezi gerçekleşmektedir. Ve koful organellerinde bir gece boyu sürecek malik asite dönüşür. Gündüz stomaların kapanma eğilimi su kaybını önlemek için tasarlanmıştır. Koful organellerinde gece boyunca biriken malik asit ise karbondioksit ve PEP ‘e dönüşmektedir. Karbondioksit ise Calvin döngüsü içine katılmaktadır[12].
Geçmiş zaman dilimlerinde iklim devirleri ve değişimleri gerçekleşirken yine buzul devirleri aralığında birçok bitki veya hayvan türü olsun yok olmuş ya da yeni türler ortaya çıkmışlardır. Tüm bu sonuçlara ek olarak dünya nüfusunun hızlı bir yüksek seviyeye ulaşmaya başlaması insanlar içinde temel ihtiyaçlar olan beslenmek, barınmak, ısınmak ya da sağlık sorunları etkenlerinde hızlı şekilde artacağını bariz bir şekilde göstermektedir. Bu tüm türler için olsun bizler için olsun tür devamlılığının olumsuz etkileneceğini göstermektedir. Sera gazları ve karbondioksit miktarının artışı bitkiler üzerinde ve buna bağlı olarak fotosentez mekanizmalarının değişime uğramasıyla C3 mekanizmasına sahip olan ve genel bir besin kaynağı olarak kullandığımız tahıl formları sınıfında olan bu mekanizma üzerinde olumlu etkiler oluşturacakken C4 mekanizmasına sahip olan bitki türleri ise artan çölleşme faktörü sebebiyle su kayıplarını aşağı seviyelere indirmeye çalışacaktır. Bu sebeple de stomalarda kapanma reaksiyonları gerçekleşecek ve oksijenaz yerine yapraklarda depolanmış olarak bulunan karbondioksit kullanıma açılmış olacaktır. C3 mekanizmasına sahip bitki türleri de bu karbondioksit yerine onlarda depolanan oksijeni kullanacaklardır. Görülen bu mekanizma reaksiyonları neticesinde de C4 bitkileri göze çarpacak ve kullandıkları bu değişim işlemleri baz alınarak besin kaynağı olarak kullandığımız bitkileri yani C3 yolunu kullanan bitkilere aktarım çalışmaları başlamış bulunacaktır[13].
Referanslar
Öztürk, K. (2002). Küresel İklim Değişikliği Ve Türkiyeye Olası Etkileri. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 22(1).
Aydın, F., & Sarptaş, H. (2018). The İmpact Of The Climate Change To Crop Cultivation: The Case Study With Model Crops For Turkey. Pamukkale University Journal Of Engineering Sciences, 24(3), 512-521.
Yıldız, M., Tansı, S., & Sezen, S. M. (2014). New Plants With Commercial Potent. Türk Tarım Ve Doğa Bilimleri Dergisi, 1(Özel Sayı-1), 1036-1042.
Beton, D. (2011). Effects Of Climate Change On Biodiversity.
Özdemir, S., Özkan, K., & Mert, A. (2017, November). An Ecological Perspective On Climate Change Scenarios. In International Forestry And Environment Symposium Climate Change And Tree Migration (Pp. 07-10).
Yavaş, İ., & Ulukan, H. Değişen Bazı İklim Koşullarına C3 Ve C4 Bitkilerinin Tepkisi.
Kocaçınar, F., Abacı, A. A., & Kezik, U. Kurak Ve Çorak Alanların Rehabilitasyonunda Kullanılabilecek C3 Ve C4 Bitkilerinde Ekofizyolojik Parametreler.
Kadıoğlu, İ., & Kekeç, M. İklim Değişikliğine Bağlı Olarak Xanthium Strumarium L.’Un Türkiye'de Gelecekte Dağılım Alanlarının Belirlenmesi. Türkiye Herboloji Dergisi, 23(1), 1-14.
Change, A. D. G. (2007). Climate Change İmpacts, Adaptation And Vulnerability. Science Of The Total Environment, 326(1-3), 95-112.
Özpınar, A. (2008). Department Of Medical Biochemistry Medical School Acibadem Mehmet Ali Aydınlar University (Doctoral Dissertation, University Of California Davis, Usa).
Franks, S. J., & Hoffmann, A. A. (2012). Genetics Of Climate Change Adaptation. Annual Review Of Genetics, 46, 185-208.
Paavola, J., & Adger, W. N. (2006). Fair Adaptation To Climate Change. Ecological Economics, 56(4), 594-609.
Uzunoğlu, F., Bayazit, S., & Kazım, M. A. V. İ. (2015). Küresel İklim Değişikliğinin Süs Bitkileri Yetiştiriciliğine Etkisi. Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 20(2), 66-75.