Mısır (Zea mays L.) fidelerinde sistein teşvikli kadmiyum toleransının transkriptomik analizleri

Kadmiyum (Cd), toprakta birikebilen, bitki büyümesi ve gelişimi için ciddi bir tehdit oluşturabilen oldukça toksik bir ağır metaldir. Sülfür içeren bir amino asit olan sisteinin (Cys), bitkilerdeki Cd detoksifikasyonunda çok önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, mısır fidelerinde Cys aracılı Cd toleransının altında yatan moleküler mekanizmalar tam olarak anlaşılmamıştır. Bu nedenle bu çalışmada, mısır (Zea mays L. cv. Capuzi) fidelerinde Cys aracılı Cd detoksifikasyonunun olası moleküler mekanizmaları fizyolojik ve transkriptomik analizlerle araştırılmıştır. Hidroponik olarak büyütülen mısır fideleri 75 µM Cd ve 250 µM Cys uygulamalarına maruz bırakılmıştır. On gün sonra, muamele edilmiş mısır fideleri, büyüme, Cd birikimi, klorofil içeriği, enzimatik antioksidanları ve diferansiyel olarak ifade edilen genleri (DEG'ler) incelenerek metal tolerans mekanizmasını analiz etmek için hasat edilmiştir. Cd stresi, daha fazla Cd birikimine bağlı olarak fide büyümesini ve klorofil içeriğini azaltmıştır. Ayrıca Cd stresi, süperoksit dismutaz ve katalaz aktivitelerindeki azalmaya bağlı olarak lipid peroksidasyonu gibi oksidatif stres belirteçlerini arttırmıştır. Dışsal Cys uygulanmasının, Cd birikimini ve lipit peroksidasyonunu azaltarak ve fotosentetik pigmentleri ve antioksidan enzimlerin aktivitelerini iyileştirerek bitki büyümesi üzerinde koruyucu bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Karşılaştırmalı transkriptom analizi, Cd stresi altında 2422 genin ifade seviyesinin değiştiğini (953 artan ve 1469 azalan) göstermiş. Cys+Cd uygulamasında ise 2577 genin (1540 artan ve 1037 azalan) ifade seviyesi değişmiştir. Gen ontolojisi (GO) sınıflandırmasında, kontrol/Cd karşılaştırmasında küçük moleküllü metabolik süreç, transmembran taşıma ve karbohidrat metabolik süreci ile ilgili genler ve Cd/Cys+Cd karşılaştırmasında transmembran taşıma, fotosentez ve karbohidrat metabolik süreci ile ilgili çok sayıda DEG zenginleştirilmiştir. Kyoto Genler ve Genomlar Ansiklopedisi (KEGG) zenginleştirme analizi, kontrol/Cd karşılaştırmasındaki DEG'lerin metabolik yollar, fotosentez ve ikincil metabolitlerin biyosentezi ile ilişkili olduğunu, Cd/Cys+Cd karşılaştırmasında ise DEG'lerin fotosentez, metabolik yollar ve fenilpropanoid biyosentezi ile ilişkili olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuçlar, dışsal Cys uygulamasının fotosentez, klorofil biyosentezi, membran taşınımı, antioksidan enzim sistemi ve ikincil metabolit biyosentezi gibi farklı yollardaki genlerin ifadesini düzenleyerek mısır fidelerinin Cd toleransını iyileştirdiğini göstermiştir. Bu araştırma, tarımsal bitkilerin ağır metal stresine karşı toleransını iyileştirmek ve sonuçta tarımsal üretkenlik ve çevresel sürdürülebilirliğe fayda sağlamak için yenilikçi stratejilerin geliştirilmesine katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.