bölüm 2 bitkilerde oksidatif stres
advertisement
BÖLÜM 2 BİTKİLERDE OKSİDATİF STRES 2. 1. Aktif Oksijen Türlerinin Oluşumu ve Antioksidant Sistem Atomik oksijen yer kabuğunda en yaygın olarak bulunan elementtir. Atmosfer ve suyun yapısında bulunan moleküler oksijen ise tüm aerobik yaşam formlarının varlığı için gereklidir. Yeryüzünün mevcut oksijen rezervi, oksijenin suyun yapısından serbest hale geçmesini sağlayan fotosentez olayı ile sağlanmıştır. Atmosferdeki oksijen miktarı fotosentez ve oksijenli solunum olayları sayesinde hemen hemen sabit tutulur. Bunun dışında oksijen atomları enzimatik olmayan olaylar dışında, oksigenazlar gibi enzimler yardımıyla çeşitli organik bileşiklerin yapısına girebilir. Oksijenin ortamdaki konsantrasyonunun belirli bir seviyenin üzerine çıkması, aerobik organizmalar için bile tehlikeli olabilir. Atmosferik oksijen miktarının üzerindeki değerler, canlı sistemlerdeki bazı enzimlerin inaktif hale gelmesine veya inhibisyonuna yol açabilir. Bunun dışında oksijen miktarının artması, fotosentetik verimliliğinin azalmasına neden olur. Çünkü bu koşullarda ribuloz -1,5- bisfosfat karboksilaz/oksigenaz enzimi C3 yolu yerine fotorespirasyon olayının hızlanmasını sağlar. Diğer aerobik organizmalar gibi bitkiler de etkili bir şekilde enerji üretebilmek için oksijene ihtiyaç duyarlar. Ancak oksijenin varlığı hücresel yapıların ve reaksiyonların sürekli oksidatif bir tehdit altında olmasına da yol açmaktadır (Alscher et al., 1997). Bitki hücrelerinde oksijenin suya tam olarak indirgenmesi, gerekli enerjinin açığa çıkmasını sağlarken; oksijenin tam olarak indirgenememesi ise oldukça reaktif olan ve DNA, proteinler ve lipidler gibi birçok makromoleküle zarar veren aktif oksijen türlerinin (AOT) oluşumuna neden olmaktadır (Dat et al., 2000). Kloroplast ve mitokondrilerdeki redoks reaksiyonları sırasında, bazı stres faktörleri nedeniyle elektronların asıl alıcı molekül yerine moleküler oksijene (O2) verilmesi sonucu AOT’ler oluşmaya baslar. Ağır metaller, kuraklık, yüksek ve düşük sıcaklık, mekanik yaralanma, UV ışık, fotoinhibisyona yol açan yüksek ışık yoğunluğu, patojen infeksiyonu ve hava kirliliği gibi stres faktörlerinin de AOT oluşumuna neden olduğu bilinmektedir (Bray et al., 2000; Öncel ve ark., 2000). Oksijenin aktivasyonu kimyasal ve fiziksel mekanizmalarla gerçekleşebilir. Kimyasal aktivasyon mekanizmasında oksijenin dışarıdan elektron alması söz konusudur. Oksijen temel durumunda iken (O2, moleküler oksijen, atmosferik oksijen), sahip olduğu paylaşılmamış iki elektronunun paralel spinli olmasından dolayı çok fazla reaktif değildir. Bu nedenle paylaşılmamış elektronları ters spinli olan (antiparalel) bir molekülden, bir elektron çifti alamaz. Çünkü Pauli prensibine göre, ancak ters spinli olan elektronlar bir elektron çifti oluşturabilirler. Bir elektronun spinini ters çevirmek için gereken zaman fazla olduğu için 8 oksijen, başka moleküllere elektron vermek yerine kendisi elektron alma eğilimindedir. Bu durumda moleküler oksijenin indirgenmesi, birbirini takip eden, her basamakta tek bir elektronun oksijen tarafından alınmasını ve farklı AOT’lerin oluşumunu sağlayan dört aşamadan ibarettir. Bu olaya “monovalent redüksiyon” adı verilir (Salin, 1987; Dat et al., 2000; Edrewa, 2005). Monovalent oksijen redüksiyonu yoluyla oluşan çeşitli AOT’ler şekil 2. 1’de görülmektedir. Bu reaksiyon zincirinin ilk basamağı enerji gerektirmektedir. Ancak diğer basamakları ekzotermik özelliğe sahiptir ve bu nedenle kendiliğinden veya kataliz yoluyla gerçekleşebilmektedir (Vranova et al., 2003). Süperoksit radikali orta derecede reaktif bir moleküldür. Dokulardaki yarı ömrü yaklaşık olara 2-4 μs’dir. Biyolojik membranları geçemez ve hızla hidrojen perokside dönüştürülür (dismutasyon). Hem oksidasyon hem de redüksiyon yeteneğine sahip olan süperoksit radikali bazen kendiliğinden de hidrojen perokside dönüştürülebilir. Bir serbest radikal olmayan hidrojen peroksit de süperoksit radikali gibi orta derecede reaktiviteye sahiptir. Ancak farklı olarak hem dokulardaki yarı ömrü daha uzundur (yaklasık 1 ms) hem de oluştuğu yerden belli bir mesafeyi difüzyonla kat edebilmektedir (Vranova et al., 2003). Hidrojen peroksit demir, bakır ve mangan gibi geçiş metallerinin katalizörlüğünde “Haber-Weiss” veya “Fenton” reaksiyonu yoluyla oldukça reaktif olan hidroksil radikalini oluşturabilir. Hem süperoksit radikalinin hem de hidrojen peroksidin canlı hücreler için oluşturduğu asıl tehdit budur. Canlı sistemlerde hidroksil radikalini etkisiz hale getirebilen herhangi bir enzimatik mekanizma bulunmadığı için bu molekülün dokulardaki aşırı birikimi hücre ölümüne neden olmaktadır (Vranova et al., 2003). Şekil 2. 1. Monovalent oksijen redüksiyonu ve oluşan AOT’ler (Edrewa, 2005). Yukarıda bahsedilen farklı AOT’ler bitki hücrelerine farkı yollarla zarar verebilirler. Bu mekanizmalar arasında bazı duyarlı enzimlerin inaktivasyonu, klorofil pigmentinin parçalaması ve lipid peroksidasyonu sayılabilir. Lipid peroksidasyonu olayında bazı AOT’ler ile hücresel membranların yapısında bulunan doymamış yağ asitleri arasında meydana gelen etkileşimler sonucu lipid hidroperoksitleri oluşur. Ayrıca oramda bazı metal iyonlarının 9 bulunması alkoksil ve peroksil radikallerinin oluşumuna da yol açabilir. Sonuçta lipid yapısında meydana gelen değişimler, membranların organizasyonunu, bütünlüğünü ve geçirgenliğini de bozabilir. Ayrıca özelikle hidroksil radikali ile DNA arasında meydana gelen reaksiyonlar, DNA molekülündeki baz sırasının değişmesine, zincir kırılmalarına ve bu hasarların onarılma olasılığının azalmasına da neden olur. Proteinlerle süperoksid radikali arasındaki etkileşimler de proteinlerin amino asit kompozisyonunda değişimlere, polipeptid fragmentasyonuna, protein denatürasyonuna ve proteinlerin proteolizis olayına duyarlılıklarının artmasına yol açar. Oksijenin fiziksel aktivasyonu, klorofil molekülünün uyarılması (eksitasyonu) aracılığıyla ışığa bağımlı reaksiyonlarla da sağlanabilmektedir (Hippeli et al., 1999). Bu reaksiyonda ışık enerjisinin absorblanması ile klorofil molekülündeki bir elektron temel durumundan (Klo, So), yüksek enerjili bir duruma (Klo*, S2) fırlatılmaktadır. Klorofil molekülü çok kısa bir süre içerisinde bu elektronunun enerjisinin bir kısmını kaybederek daha düşük enerjili bir duruma (S1) ve daha sonra yine enerji kaybı ile triplet (T*) duruma geçmektedir. S1 durumundan triplet durumuna dönüşüm sırasında, klorofil molekülünün uyarılmış elektronunun spini de değişmektedir. Enerjinin triplet klorofil molekülünden temel durumdaki oksijene transferi ile klorofil molekülü temel durumuna dönerken; bu kez de temel durumdaki oksijenin elektronlarından birinin spini değişmekte ve sonuçta 1O2 (singlet oksijen) oluşmaktadır (Niyogi, 1999). Şekil 2. 2’de singlet oksijenin oluşum mekanizması görülmektedir. 2. 2. Bitki Hücrelerindeki AOT Kaynakları 2. 2. 1. Kloroplastlar Bitki hücrelerinde AOT oluşturma yeteneğine sahip birçok bölge bulunmaktadır. Ancak kloroplastların bitki hücrelerindeki AOT’lerin en büyük kaynağı olduğu kabul edilmektedir. Kloroplastlardaki fotosistem I ve II’nin ışık toplayıcı sistemleri tarafından absorblanan ışık enerjisi, elektron taşınım reaksiyonları vasıtasıyla NADP+ molekülüne ulaştırılmakta ve böylece oluşturulan NADPH karbon fiksasyon reaksiyonlarında kullanılmaktadır (Malkin and Niyogi, 2000). Tuz stresi, kuraklık, ozon, yüksek ve düşük sıcaklıklar gibi karbon fiksasyon reaksiyonlarını kısıtlayan koşullarda NADP+ molekülünün rejenerasyonu da kısıtlanır ve fotosentetik elektron taşınım reaksiyonları sonunda elektronlar ferrodoksin aracılığı ile 10 NADP+ yerine oksijene verilir. Bu reaksiyon “Mehler reaksiyonu” olarak bilinir ve süperoksit radikalinin oluşumuna yol açmaktadır (Malkin and Niyogi, 2000) (Şekil 2. 3). Şekil 2. 2. Moleküler oksijen (O2) ile triplet klorofilin (T*) etkileşimi sonucu singlet oksijenin (1O2) oluşumu (Edrewa 2005’den değiştirilerek alınmıştır). O2 + e- O2.e- Şekil 2. 3. Fotosentetik elektron taşınımı sonucu süperoksit radikalinin oluşumu. 11 2. 2. 2. Peroksizomlar Bitki hücrelerindeki AOT’lerin diğer bir kaynağının da fotorespirasyon olduğu bilinmektedir (Kozaki and Takeba, 1996). Aslında fotorespirasyon olayı bazı araştırıcılar tarafından faydalı bir metabolik olay olarak değerlendirilmektedir. Buna göre ribuloz-1,5-bisfosfat karboksilaz/oksigenaz enziminin oksigenaz aktivitesi ile kloroplastlarda oluşturulan 2fosfoglikolat, sırasıyla peroksizom ve mitokondrilerde metabolize edildikten sonra yine kloroplastlarda 3-fosfogliserik aside dönüşmekte ve bu şekilde hem C3 döngüsünün aktivitesi hem de NADP+ rejenerasyonu süreklilik kazanmaktadır (Kozaki and Takeba, 1996; Siedow and Day, 2000). Buna rağmen fotorespirasyonun peroksizomlarda gerçekleşen ve glikolatın glioksilata dönüşümünü sağlayan reaksiyon sırasında H2O2 üretimi meydana gelmektedir (Siedow and Day, 2000) (Şekil 2. 4). Şekil 2. 4. Fotorespirasyon olayı sırasında H2O2’nin oluşumu. 12 Ayrıca yine peroksizomlarda yağ asitlerinin β- oksidasyonu sırasında da H2O2 oluşumu söz konusudur (Somerville et al., 2000). Peroksizomlardaki pürin metabolizması sırasında ise, ksantinin ürik aside dönüştüğü reaksiyonda süperoksit radikali oluşmaktadır (del Rio et al., 1998). 2. 2. 3. Mitokondriler Bunun dışında hücrelerde büyüme ve enerji gerektiren diğer olayların stres etkisiyle yavaşlaması veya durması halinde de, mitokondrilerdeki elektron taşınım sisteminin aşırı indirgenmesi sonucu süperoksit radikali oluşabilmektedir (Purvis and Shewfelt, 1993). Mitokondrilerde AOT oluşumunda rol oynayan asıl mekanizma siyanide duyarlı olmayan alternatif oksidaz sistemidir. 2. 2. 4. Endoplazmik retikulum ve apoplast Yine bitki hücrelerinin sitosol, endoplazmik retikulum, plazma membranı ve apoplast gibi bölgelerinde bazı AOT’lerin oluştuğu bilinmektedir (Vranova et al., 2003). Endoplazmik retikulumda bulunan ve mevalonik asit yolundaki hidroksilasyon rekasiyonlarını katalizleyen sitokrom P450 gibi karışık fonksiyonlu oksigenazlar, oksijen atomlarının substratlara ilave edilmesini sağlarlar. Bu reaksiyonlarda elektron vericisi olarak rol oynayan NAD(P)H molekülleri süper oksid radikallerinin oluşumuna neden olabilir. Apoplastlar da bazı AOT’lerin oluştuğu bölgeler olarak tanımlanmaktadır. Apoplast, patojen saldırıları sırasında ilk hedef bölgedir. Bu nedenle patojenlere karşı savunma mekanizmalarının da ilk olarak aktif hale geldiği alanlardır. Apoplastlardaki en yaygın biyosentetik mekanizma lignin biyosentezidir. Bu reaksiyonlar sırasında fenilpropanoid öncüleri arasında hidrojen peroksit vasıtasıyla ve peroksidaz grubu enzimlerin katalizörlüğünde çapraz bağlanmalar meydana gelir. Bu reaksiyonlarda ihtiyaç duyulan NADH molekülleri hücre çeperindeki malat dehidrogenaz enzimi ile oluşturulur ve muhtemelen daha sonra hidrojen peroksid oluşumunda kullanılır. Bitki hücrelerinde AOT oluşumunun görüldüğü bölgeler ve ilgili reaksiyonlar şekil 2. 5’de verilmiştir. 13 14 2. 3. Bitkilerde antioksidant sistem Bitkilerde, AOT’lerin toksik etkilerinden korunmak için enzimatik ve enzimatik olmayan bileşenlerden oluşan etkili bir antioksidant savunma sistemi bulunmaktadır. Antioksidant sistemin enzimatik bileşenleri arasında süperoksit dismutaz (SOD), askorbat peroksidaz (APX), monodehidro askorbat redüktaz (MDHAR), dehidroaskorbat redüktaz (DHAR), glutatyon redüktaz (GR), katalaz (CAT) ve peroksidaz grubundan olan diğer enzimler sayılabilir. Enzimatik olmayan bileşenler ise askorbik asit, glutatyon, α-tokoferol ve karotenoidlerdir (Dat et al., 2000; Foyer et al., 1994; Edrewa, 2005). SOD, süperoksit radikalinin moleküler oksijen ve hidrojen perokside parçalanmasını sağlayan reaksiyonu katalizleyen bir enzimdir (Bowler et al., 1992). SOD enzimi, süperoksidin fazla miktarda üretildiği kloroplast, mitokondri ve sitosolde bulunur. Bunun dışında SOD’nin peroksizomal, nuklear ve hücre dışı izoformları da belirlenmiştir (Ogawa et al., 1996). Oluşan hidrojen peroksit, askorbat-glutatyon döngüsüne girer ve sonuçta su ve oksijene kadar parçalanır (Sekil 2. 6). Askorbat-glutatyon döngüsünde bulunan enzimler APX, MDHAR, DHAR ve GR’dir. Bu enzimlerden APX, indirgeyici molekül olarak askorbatı kullanarak hidrojen peroksidi parçalarken; MDHAR ve DHAR enzimleri askorbatın rejenerasyonunu sağlar. Askorbatın rejenerasyonunun sağlanması için görev yapan enzimlerden MDHAR indirgeyici molekül olarak NADPH’yi, DHAR ise glutatyonu kullanmaktadır. Elektronunu vererek oksitlenen glutatyon ise GR enziminin katalizlediği bir reaksiyonla yeniden indirgenir. Askorbat-glutatyon döngüsü, kloroplastlarda, sitosolde, mitokondrilerde ve peroksizomlarda bulunmaktadır (Bowler et al., 1992; Jimenez et al., 1997; Noctor and Foyer, 1998; Vranova, 2003). CAT’nin hücrelerin hidrojen peroksitten korunması konusundaki etkinliği sınırlıdır. Feierabend and Enger (1986) ve Feierabend et al. (1992), bunun nedenini CAT’nin büyük ölçüde peroksizomlarda bulunması, hidrojen perokside olan afinitesinin zayıf olması ve ışık etkisiyle aktivitesini kaybetmesi gibi faktörlere bağlamışlardır (Foyer et al., 1994). Dat et al., (2000) ise çeşitli stres faktörlerinin etkisiyle CAT proteini miktarındaki azalmanın, translasyonun inhibisyonundan veya parçalanma hızındaki artıştan kaynaklandığını rapor etmiştir. Ayrıca CAT aktivitesinin düşük sıcaklık stresi ve yüksek sıcaklık şoku etkisiyle inhibe olduğu da belirlenmiştir (Dat et al., 1998; Lopez-Dalgado et al., 1998). Bundan dolayı hidrojen peroksitin kloroplast ve diğer hücresel yapılarda oluşturabileceği oksidatif zararlar, çok büyük ölçüde APX enzimi ile önlenmektedir (Foyer et al., 1994). 15 Sekil 2. 6. Askorbat-glutatyon döngüsü (O2.-, süperoksit radikali; SOD, süperoksit dismutaz; H2O2, hidrojen peroksit; APX, askorbat peroksidaz; AsA, askorbik asit; MDA, monodehidroaskorbik asit; MDHAR, monodehidro askorbat redüktaz; DHA, dehidroaskorbik asit; DHAR, dehidroaskorbat redüktaz; GSSG, okside glutatyon; GSH, indirgenmis glutatyon; GR, glutatyon redüktaz) (Mittler 2002’den degistirilerek alınmıstır) AOT’lerin detoksifikasyonunu sağlayan diğer bir mekanizma da su-su döngüsüdür (Sekil 2. 7). Bu olayda iki molekül suyun fotolizi sonucu ortaya çıkan dört elektron, fotosistem II aracılığı ile fotosistem I’e ulaştırılır. Bu elektronlardan iki tanesi, iki molekül O2’yi indirgeyerek, iki molekül süperoksit radikalini oluşturur. Oluşan süperoksit radikalleri, SOD ile hidrojen perokside indirgenir. Hidrojen peroksit ise APX ile suya indirgenir. Bu reaksiyon sırasında oksitlenen askorbik asit de diğer iki elektronla yeniden indirgenir. Yani iki molekül suyun fotolizi ile oluşan dört tane elektron, yine iki molekül suyun oluşturulmasında kullanılmaktadır (Asada, 1999). 16 Sekil 2. 7. Su-su döngüsü (FS II, fotosistem II; FS I, fotosistem I; SOD, süperoksit dismutaz; H2O2, hidrojen peroksit; APX, askorbat peroksidaz; MDA, monodehidro askorbik asit; AsA, askorbik asit) (Asada, 1999). 2. 4. Bitkilerde Oksidatif Stresle Diğer Stres Tipleri Arasındaki İlişkiler Antioksidant enzim aktivitelerinde meydana gelen değişimler, farklı bitki türlerinin biyotik ve abiyotik stres faktörlerine karsı duyarlılık ve dayanıklılık dereceleri konusunda fikir vermektedir (Foyer et al., 1994). Yapılan çeşitli çalışmalarda yüksek ışık yoğunluğu, kuraklık stresi, tuz stresi, düşük ve yüksek sıcaklık stresi, ağır metal toksisitesi, UV ışık, herbisitler ve hava kirleticileri gibi faktörlerin antioksidant enzimlerin aktivitelerinde değişikliklere yol açtığı belirlenmiştir (Çakmak and Horst, 1991; Runeckles and Vaartnou, 1997; Giardi et al., 1997; Dat et al., 1998; Smirnoff, 1998; Surplus et al., 1998; Savoure et al., 1999; KingstonSmith et al., 1999; Keleş ve Öncel, 2002; Ekmekçi ve Terzioglu, 2005). Bu yüzden stres altındaki bitkilerde antioksidant sistemde meydana gelen değişimlerin incelenmesi önemlidir. Birçok herbisitin bitkilerde AOT’lerin oluşumuna neden olduğu bilinmektedir. Örneğin paraquatın elektronları PSI’den alarak ışıklı koşullarda süperoksit radikalinin oluşumuna neden olduğu belirlenmiştir. Fungal bir toksin olan serkosporin adlı bileşik de ışıkla aktive olarak singlet oksijeni peroksidasyonuna neden oluşturmakta ve bu molekül olmaktadır. Asiflurfen gibi de ciddi boyutlarda lipid bazı herbisitler de klorofil metabolizmasında rol oynayan bazı ara ürünlerin meydana gelmesine yol açar. Tetrapirol 17 yapısındaki bu ara ürünler de ışık altında singlet oksijeni meydana getirerek bitki hücrelerinin ölümüne yol açar. Endüstriyel faaliyetler veya tarımsal uygulamalar sonucu toprakta ve atmosferde birikim gösteren metaller de bitkiler için zararlı olur. Bu tip metaller bitkilerde ya büyümeyi ve biyosentetik reaksiyonları doğrudan doğruya inhibe ederek ya da AOT oluşumuna neden olarak hasar oluştururlar. Örneğin yüksek konsantrasyonlarda bakır iyonlarına maruz kalan bitkilerde lipid peroksidasyonu ve klorofil parçalanması gözlenmiştir. Bakır ve demir gibi metaller aynı zamanda redoks bakımından aktif metaller olduğu için, Fenton reaksiyonunun meydana gelmesine yol açarlar. Lipid peroksitleri de bakır elementinin lipoksigenaz enzimini indüklemesi sonucu ortaya çıkar. Kadmiyuma maruz kalan bitkilerde de yine klorofil miktarında azalma ve antioksidant enzimlerin inhibisyonu görülmüştür. Ozon ve kükürt dioksit gibi atmosferik kirleticiler de bitki dokularında AOT’lerin oluşumuna neden olmaktadır. Yapılan çalışmalar ozonun kükürt diokside göre bitkiler için daha büyük tehlike olduğunu göstermiştir. Ozonun yüksek oksitleme potansiyeli ve bunun sonucunda AOT’lerin oluşması bunun en büyük nedenidir. Ozona maruz kalan bitkilerde lipid peroksidasyonu, klorofil parçalanması, PSII’deki D1 proteininin parçalanması ve RuBisCo miktarında ve aktivitesinde azalmalar görülmüştür. Güneşten çıkan UV-B ışınları (290-320 nm), stratosferdeki ozon tabakasının azalması sonucu yer yüzüne kadar ulaşır. UV-B ışınlarının PSII’de neden olduğu hasarların sebepleri arasında elektron taşınımının yavaşlaması ve özellikle D1 proteinindeki yapısal hasarlar sayılabilir. UV-B ışınlarına maruz kalan bazı bitkilerde SOD gibi antioksidant enzimlerin akümülasyonunun indüklendiği belirlenmiştir. İzole edilmiş tilakoid membranların UV-B ile ışıklandırılması sonucu özellikle hidroksil radikalinin oluştuğu gözlenmiştir. UV-B ayrıca bitkisel dokularda AOT’lerin oluşmasına neden olan bazı reaksiyonları başlatabilme yeteneğine de sahiptir. Tuz stresi de kloroplast ve mitokondrilerdeki önemli metabolik olayları etkilemektedir. Yaprak mitokondri ve peroksizomları ile yapılan çalışmalar tuz stresinin hem süperoksit radikali oluşumunu hızlandırdığını hem de MnSOD miktarını azalttığını göstermiştir. Tuz stresine dayanıklı olan bitki genotiplerinde APX ve Cu/ZnSOD enzimlerinin aktiviteleri ile 18 askorbat miktarının arttığı, duyarlı bitkilerde ise antioksidant enzim aktivitelerinde herhangi bir değişim olmaksızın H2O2 ve lipid peroksidasyonunun arttığı belirlenmiştir. Kuraklık stresine maruz kalan bitkilerde absisik asit sinyali ile stomalar kapanır ve aşırı derecede indirgenen fotosentetik aygıt oksidatif strese maruz kalabilir. Yapılan araştırmalar kuraklığa maruz kalan bitkilerde protein sentezinin inhibe edildiği, kloroplastta bulunan birçok enzimin inaktif hale geldiği, elektron taşınımının yavaşladığı, membran geçirgenliğinin azaldığı ve özellikle H2O2’yi parçalayan enzimlerin aktivitesinin arttığı belirlenmiştir. Düşük sıcaklıklarla yüksek ışık yoğunluğu bitkilerde fotooksidatif strese neden olur. Bu olayın temelinde fotoinhibisyon olarak bilinen olay yatmaktadır. Fotoinhibisyon, fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarının yine ışık etkisiyle inhibe olmasıdır. Fotoinhibisyon doğal bir olaydır ve absorblanan ışık enerjisi miktarının, bu enerjinin fotosentetik elektron taşınım reaksiyonlarındaki kullanım hızından daha fazla olması durumunda ortaya çıkmaktadır (Savitch et al., 2000). Bu durumda fotosistem II’nin aşırı derecede indirgenmesi söz konusudur (Aro et al., 1993; Long et al., 1994; Vasilikiotis and Melis, 1994). Fotoinhibisyon olayı çok farklı çevresel stres faktörlerinin etkisiyle veya ortamın ışık şiddetinin aniden artmasıyla meydana gelebilmektedir (Demmig-Adams et al., 2004). Soğuk ve ılıman bölge bitkileri açık havalarda sıklıkla düşük sıcaklıklara maruz kalırlar ve bu koşullar fotoinhibisyonun şiddetini artırır (Krause, 1994). Düşük sıcaklıkların fotosentez olayının fotoinhibisyona karsı duyarlılığını artırdığı ve sonuçta düşük ışık yoğunluklarında bile fotoinhibisyonun indüklenebileceği rapor edilmiştir (Xu et al., 1999). Birçok bitkide fotosistem II’nin fotoinhibisyona, fotosistem I’e göre daha duyarlı olduğu bildirilmiştir (Sonoike, 1996; Terashima et al., 1998; Ivanov et al., 1998). Fotosistem II reaksiyon merkezlerinin ışık etkisiyle zarara uğrama hızı onarım hızını aştığı zaman geri dönüşümü olmayan veya kronik fotoinhibisyon söz konusudur (Baroli and Melis, 1996; Melis, 1999). Bu onarım mekanizması, zarar gören D1 polipeptidlerinin proteolitik olarak fotosistem II’nin yapısından uzaklastırılması ve yeni sentezlenen D1 polipeptidlerinin fotosistem II yapısına ilavesinden ibarettir (Savitch et al., 2000). Geri dönüşümlü fotoinhibisyonda ise, enerjinin tüketim kapasitesi ile fotosistem II aktivitesi arasındaki dengenin korunması amacıyla, fotosistem II’nin aktivitesinin azalması söz konusudur. Bu yüzden geri dönüşümlü fotoinhibisyon, koruyucu bir mekanizma olarak kabul edilmektedir (Öqüist et al., 1992; Osmond, 1994; Adams et al., 1995a, b). 19 Singlet oksijen, hidrojen peroksit, süperoksit ve hidroksil radikalleri gibi AOT’lerin oluşumunun, metabolik olaylar üzerinde zararlı etkilere sahip olduğu bilinmektedir. Ancak Asada (1993), bu moleküllerin normal hücresel reaksiyonlar sonucunda da oluştuğunu rapor etmiştir (Foyer et al., 1994). Edrewa (2005) ise AOT’lerin düşük konsantrasyonlarda hücresel fonksiyonların yerine getirilebilmesi için oldukça önemli olduğunu belirtmiştir. Bunun dışında AOT’lerin bitkilerde patojen infeksiyonlarından korunma ve sinyal iletiminde de önemli roller oynadığı belirlenmiştir (Grant and Loake, 2000; Van Breusegem et al., 2001; Neill et al., 2002). Normal koşullardaki bir bitki hücresinde metabolik reaksiyonlar sırasında AOT’lerin oluşumu ile parçalanması olayları kontrol altında tutulmaktadır. Oksijen toksisitesi ise kontrol edilemeyen aşırı üretim veya savunma mekanizmalarının yetersizliği sonucu oluşmaktadır (Edrewa, 2005). 20
