Kuraklık stresi altındaki cleome spınosa (C3) ve cleome gynandra (C4) bitkilerinin karşılaştırmalı proteomik analizleri

Abstract

Toprak ve atmosferik su eksikliğinden kaynaklanan kuraklık stresi dünyadaki bitki büyümesini ve verimliliğini etkileyen en önemli çevresel faktörlerden biridir. Karboksilasyon yoluna bağlı olarak bitkilerin kuraklık stresine toleranslarında önemli farklılıklar vardır. C4 bitkilerinin, C3 bitkilerinin aksine, su stresine daha iyi adapte olduğu bildirilmektedir. Bitkilerin kuraklık stresine adaptasyon mekanizmaları proteom düzeyinde yoğun bir şekilde çalışılmış olmasına rağmen, kuraklık stresi altında büyüyen C3 ve C4 bitkilerinin adaptasyon stratejileri tanımlanmamıştır. Kuraklık stresinin proteom değişiklikleri üzerindeki etkilerini belirlemek için iki boyutlu poliakrilamid jel elektroforezi (2-DE) ve MALDI-TOF/TOF (matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight/time-of-flight) kütle spektrometresi Cleome spinosa (C3) ve C. gynandra (C4) bitkilerinin yapraklarında kullanılmıştır. 2-DE jellerinde toplam 96 farklı şekilde ifade olan protein beneği tespit edilmiş ve bunlardan 65'i MALDI-TOF/TOF kütle spektrometrisi ile tanımlanmıştır. Her iki türde de fotosentez ve enerji metabolizması ile ilgili proteinler, kuraklık stresi altında büyük ölçüde etkilenmiştir. RuBisCO küçük alt birimlerinin seviyesi C. spinosa'da artmış olmasına rağmen, RuBisCO aktivaz proteinlerinin seviyesi azalmıştır. Ayrıca, oksijen çıkışı arttırıcı (OEE) ve ferredoksin-NADP redüktaz (FNR) proteinleri gibi fotosentezin ışık reaksiyonları ile ilgili proteinlerin seviyesi C. spinosa'da azalmıştır. Kuraklık stresi altında, triosfosfat izomeraz ve fruktoz-bifosfat aldolaz gibi glikoliz ile ilişkili proteinlerin seviyesi C. spinosa'da azalmıştır; ancak, enolaz proteini C. gynandra'da artmıştır. Kuraklık stresi altında kloroplastik ATP sentaz enziminin ifade seviyesi her iki türde de azalan yönde düzenlenirken, mitokondriyal ATP sentaz artan yönde düzenlenmiştir. Annexin ve 14-3-3 proteinleri gibi sinyal iletimi ile ilgili proteinlerin seviyesi C. spinosa'da artmıştır. Reaktif oksijen türlerinin detoksifikasyonu ile ilişkili proteinlerin seviyesi genellikle her iki türde artmıştır. Bu bulgular, karboksilasyon yolunda farklılık gösteren türlerin kuraklık stresi altındaki proteomik cevaplarının daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.

Drought stress caused by soil and atmospheric water deficiency is one of the most significant environmental factors affecting plant growth and productivity in the world. There are significant differences in the tolerance of plants to drought stress depending upon the carboxylation pathway. C4 plants, in contrast to C3 plants, are known to be better adapted to water stress. Although the mechanisms by which plants adapt to drought stress has been studied extensively at proteome level, the adaptive strategies of C3 and C4 plants grown under drought stress remain undefined. To determine the effects of drought stress on proteome changes, we used two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2-DE) and matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry in the leaves of Cleome spinosa (C3) and C. gynandra (C4) plants. Totally 96 expressed differently protein spots were detected on 2-DE gels, of which 65 were identified by MALDI-TOF/TOF mass spectrometry. In both species, proteins related to photosynthesis and energy metabolism were predominantly affected under drought stress. Although the abundance of RuBisCO small subunits was increased in C. spinosa, the abundance of RuBisCO activase proteins was decreased. Furthermore the abundance of proteins related to light reactions of photosynthesis such as oxygen-evolving enhancer (OEE) and ferredoxin-NADP reductase (FNR) proteins was decreased in C. spinosa. Under drought stress, the abundance of glycolysis-related proteins such as triosephosphate isomerase and fructose-bisphosphate aldolase was decreased in C. spinosa; however, enolase protein increased in C. gynandra. The chloroplastic ATP synthase enzyme was down-regulated also in both species under drought stress, while the mitochondrial ATP synthase up-regulated. The abundance of signal transduction-related proteins such as annexin and 14-3-3 proteins were increased in C. spinosa. The abundance of reactive oxygen species detoxification related proteins was generally increased in both species. These findings would lead to an improved understanding of the proteomic responses of the species differing in carboxylation pathway under drought stress.