Proteome analysis of Brachypodium distachyon leaves under drought stress

Çevresel stres faktörleri arasında kuraklık tarımda en şiddetli etkiye sahip olan faktörler arasındadır ve buna bağlı olarak kuraklık stresi altında verimi arttırmak tarımda en önemli hedeflerden biri haline gelmiştir. Kuraklık ya da su yetersizliği bitkinin hücresel metabolizmasını doğrudan etkiler. Büyüme indisinde ve böylece verimde ciddi bir azalmaya yol açar. Pek çok çalışma, kuraklık stresine cevap sürecinde hücrede karmaşık bir ağın varlığını vurgulamıştır. Protein ekspresyonundaki değişiklikler bu ağda esas rolü üstlenmektedir. Tarımsal verim artışının sağlanmasında ana strateji, kuraklık altında verimin sürdürülebilmesi için gereken özelliklerin bir araya getirilmesi ve en etkili genlerin ve dolayısıyla proteinlerin, verim potansiyeli üzerinde zararlı etkileri olmadan elit genotiplerde biriktirilmesidir. Bu yaklaşım, kurak çevrede stabil kalabilen ve yüksek verim potansiyeli sunabilen yeni bitki varyetelerinin geliştirilmesine olanak tanıyacaktır. Bitkilerde kuraklık stresine cevap mekanizmasının aydınlatılabilmesi için transkriptom düzeyinde çok sayıda araştırma gerçekleştirilmiştir. Ancak mRNA seviyesindeki değişiklikler transkripsiyon ve translasyon sonrası modifikasyonlara bağlı olarak, her zaman protein seviyesiyle korelasyon göstermemektedir. Bu nedenle transkriptom çalışmaları, stres cevabına ilişkin ağın anlaşılmasında yetersiz kalmaktadır. Dolayısıyla kuraklık stresine ilişkin mekanizmaların aydınlatılabilmesi için proteom düzeyinde bilgiye ihtiyaç vardır. Akdeniz ve Ortadoğu bölgesi yerel bitkisi olan Brachypodium distachyon, buğday, arpa, yulaf ve çavdar gibi beslenmede temel öneme sahip tahılların da içinde bulunduğu çim ailesinin (Poaceae) bir üyesidir. Brachypodium distachyon, kompakt bir genoma sahip olma (272 Mb), 5 çift kromozom (2n=10), kısa yaşam döngüsü (~12 hafta), kolay gen aktarımı, kendi kendine döllenmesi ve basit büyüme koşulları gibi özellikleri ile model organizma olmak için gereken bütün vasıflara sahiptir. Model bitki özellikleri ve önemli tahıllar ile yakın akrabalığı, Brachypodium distachyon'u tüm serin iklim tahıl türlerinin, özellikle de hububatların geliştirilmesi için dikkat çekici bir model bitki haline getirmektedir. Ayrıca, yabani bir tür olan Brachypodium distachyon'un kuraklık stresine cevapta fizyolojik olarak geniş varyasyon gösterdiği bilinmektedir ve bu çeşitlilik stres koşulları altında ifade edilen yeni genlerin, dolayısı ile çeşitli proteinlerin bulunabilmesine olanak sağlayacaktır. Brachypodium distachyon'un süregelen transkriptomik analizleri mevcuttur ancak yukarıda belirtildiği gibi transkriptomdaki değişiklikler proteom seviyesindeki sonuçları her zaman birebir yansıtmadığından, proteomun incelenmesine yönelik analizlerin gerekliliği bu bitki için de söz konusudur. Proteinler sinyalizasyonun ve biyokimyasal yolakların önemli bileşenleridir, bu nedenle protein seviyesindeki çalışmalar bitkilerin büyüme, gelişme ve çevreyle etkileşimlerinin altında yatan moleküler mekanizmaların aydınlatılması için gereklilik arz etmektektedir. Örnek hazırlama, yüksek çözünürlüklü protein ayrıştırma, protein karakterizasyonu için MS yazılımı ve donanımı ve biyoinformatik araçlardaki gelişmelere büyük ölçüde bağlı olarak bitki proteom çalışmalarında son yıllarda büyük bir ilerleme kaydedilmiştir. Bitki proteomu çalışmalarında amaç protein türlerinin kataloglanması ile sınırlı değildir, fonksiyonel biyoloji altında proteinlerin kalitatif ve kantitatif analizlerini de kapsar. Proteomik çalışmalardan elde edilen zengin verisetleri protein kimliği, miktarı, hücredeki lokalizasyonu, proteinin post-translasyonel modifikasyonu, protein-protein etkileşimleri ve kompleks proteomun oluşumunu kapsar. Bitki proteomik çalışmalarının sistem biyolojisiyle bütünleşmesi pek çok moleküler mekanizmanın anlaşılmasına öncülük edecek ve sonunda bitki verimi, gıda ve savunma için önemli olan süreçlerin mühendisliğini sağlayacaktır. Bu çalışmada, Brachypodium distachyon bireylerinin zamana bağlı kuraklık uygulamasına maruz bırakılmasının ardından (4, 8 ve 12 günlük kuraklık uygulaması), protein repertuarında meydana gelen değişiklikler belirlenmiştir. Söz konusu amaç için, iki boyutlu jel elektroforezi (2D-DIGE) ve kütle spektrometrisine (MS) dayalı proteomik yaklaşım gerçekleştirilmiştir. Elde edilen proteom verilerinin karşılaştırılması sonucunda kuraklığa bağlı farklı düzeylerde anlatım gösteren proteinlerin varlığı saptanmıştır. Otuz yedi protein spotu kuraklık koşulu altında anlamlı varyasyon göstermiştir. Kütle spektrometresi ile tanımlanan on üç protein fonksiyonlarına göre sınıflandırılmış ve Brachypodium distachyon'un kuraklığa cevap mekanizmasındaki rol ve ilişkileri tartışılmıştır. Kuraklık stresine cevap olarak çakışan metabolizmaların varlığı belirlenmiştir. Çalışmanın neticesinde tespit edilen proteinler kuraklığa tolerans gösteren bitkilerin belirlenebilmesi için biyomarkör olma potansiyeli teşkil etmektedir. Ayrıca, belirlenen proteinler Brachypodium distachyon'un yakın akrabalık gösterdiği tahıllarda (buğday, arpa, yulaf, çavdar vb.) kuraklık stresine direnç geliştirilmesi çalışmalarına katkıda bulunacaktır.