Biochemical and molecular tolerance of Carpobrotus acinaciformis L. halophyte plants exposed to high level of NaCl stress

NaCl stresine maruz bırakılan Carpobrotus acinaciformis L. halofit bitkisinin biyokimyasal ve moleküler tepkileri

Özet

Carpobrotus acinaciformis L. plant is a kind of halophyte that is able to survive in high salt conditions. It is important to determine its physiological, biochemical and molecular limit of NaCl stress if one aims to use it for phytoremediation purpose. In this study, the alkaline protocol of the modified plant comet assay were used for rapid detection of DNA damage in C. acinaciformis L. plants exposed to a series of NaCl stress concentrations (0-, 50-, 100-, 200-, 300-, 400 and 500 mmol L-1) in hydroponic conditions for 2 weeks. DNA damage was measured as the values of percentage of DNA in tails and tail length. The halophyte C. acinaciformis L. did not show any dose response up to 400 mmol L-1 NaCl level in terms of DNA damages. DNA integrity measured via comet assay showed that DNA preserved its original shape up to 400 mmol L-1 NaCl level. However, the very high concentrations of NaCl (400 and 500 mmol L-1) caused DNA damages. When physiological and biochemical parameters such as proline, chlorophyll a and b, peroxidase (POX), catalase (CAT), H2O2, malondialdehyde (MDA) contents were examined, oxidant molecules such as H2O2 (0.912-3.72 µmol g-1 Fwt) and MDA (7.1-34 nmol g-1 Fwt) gradually increased along with the increase of NaCl concentrations, p<0.05. On the other hand, antioxidant enzyme POX and an osmolyte molecule proline slightly increased up to 400 mmol L-1 NaCl level then slightly decreased after that. Similar issues were obtained from that of protease enzyme which indicates the power of protein hydrolysis in which a slight decrease (182-95 Unit mg-1 protein) over a dose of NaCl was evident. Chlorophyll contents and CAT activity were not affected upon increase of NaCl concentrations. This study showed that the halophyte C. acinaciformis L. can be easily used to remove salt up to 400 mmol L-1 NaCl concentrations from a saline-affected soil. Measuring DNA damage is concluded as a very useful parameter to find out what level of NaCl could be tolerated if a halophyte plant is aimed to remediate the saline soils.

Abstract

Carpobrotus acinaciformis L. bitkisi yüksek tuz koşullarında yaşayabilen bir çeşit halofit bitkidir. Bu bitki fitoremediasyon çalışmaları için kullanılmak üzere planlandığında, bu bitkinin tuz stresine karşı fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler sınırlarını belirlemek önem arz etmektedir. C. acinaciformis L. bitkisinde DNA hasar seviyesini belirlemek için hidroponik koşullarda 2 hafta süre ile tuz stresine (0-, 50-, 100-, 200-, 300-, 400 and 500 mmol L-1) maruz bırakılan bitkilerde modifiye edilmiş alkali bitki comet assay metodu kullanılmıştır. DNA hasarı kuyruk uzunluğu ve kuyrukta DNA yüzdesi olarak ölçülmüştür. Halofit C. acinaciformis L 400 mmol L-1 NaCl seviyesine kadar DNA hasarı ile ilgili olarak doz tepkisi göstermemiştir. Comet assay ile ölçülen yönteme göre halofit bitkilerin DNA bütünlüğünü 400 mmol L-1 NaCl seviyesine kadar korunduğu gözlenmiştir. Fakat, çok daha yüksek NaCl konsantrasyonları (400 ve 500 mmol L-1) DNA hasarına yol açmıştır. Prolin, klorofil a ve b, peroksidaz (POX), katalaz (CAT), H2O2, malondialdehid (MDA) içerikleri gibi fizyolojik ve biyokimyasal parametreler incelendiğinde, oksidant moleküllerden H2O2 (0.912-3.72 µmol g-1 taze ağırlık)and MDA (7.1-34 nmol g-1 taze ağırlık) artan tuz konsantrasyonu ile paralel olarak sıralı artış göstermiştir, p<0.05. Diğer yandan, antioksidant enzimlerden POX ve bir osmolit olan prolin 400 mmol L-1 NaCl’ e kadar hafifçe artış göstermiş daha sonra tekrar düşmüştür. Benzer durumlar protein hidrolizini belirlemede kullanılan proteaz enzim (182-95 Unit mg-1 protein) seviyesinde de görülmüş, artan NaCl dozuna bağlı olarak enzim miktarı kademeli olarak azalmıştır. Klorofil miktarı ve CAT enzim seviyesi NaCI konsantrasyon artışına bağlı olarak değişim göstermemiştir. Bu çalışma, C. acinaciformis L. bitkisinin tuzdan etkilenmiş topraklarda 400 mmol L-1 NaCl’ e kadar olan tuz konsantrasyonunu uzaklaştırmada rahatlıkla kullanılabileceğini ortaya koymuştur. DNA hasarını ölçmek, tuzlu alanları ıslah etmede kullanılacak halofit bitkinin hangi seviyede NaCl stresine dayanabileceğini belirlemede çok kullanışlı bir parametre olarak kaydedilmiştir.