Elucidation of boron hyperaccumulation and tolerance mechanisms in Puccinellia distans (Jacq.) Parl. using proteomics approach

Abstract

Boron can cause growth deficiency and yield loss in plants at both low and high concentrations. Turkey holds 72,5% of known world boron reserves, and boron toxicity causes major agricultural problems. In a search to identify resistant species, Puccinellia distans (weeping alkaligrass), growing near boron mining sites in Turkey, was found to tolerate toxic boron concentrations. This species has been studied at the level of gene transcription, however, investigation at the protein level has not yet been performed. In this work, the boron stress tolerance mechanism of P. distans was investigated with proteomic approaches. For this purpose, plants were divided into control and stress groups with optimal and toxic boron concentrations, respectively. Boron accumulation was observed in leaf tissues at the end of growing stages. Leaf and root tissues were checked for tissue boron concentrations at the end of their growth period with ICP-MS. Both leaves and roots were found to accumulate around 6 g B/kg dry tissue. Total proteins were extracted from leaf tissues of both groups and analyzed in LC-MS instrument to determine the differences between protein profiles. One hundred and nine significantly differentially expressed proteins were identified in this work. Three upregulated proteins were selected as candidate proteins for boron hyperaccumulation tolerance. This work proved successful in identification of some of the proteins responsible for boron hyperaccumulation in P.distans and paving the way for future studies to use P. distans for phytoremediation in areas with excess boron.

Bor hem yüksek hem düşük yoğunluklarında bitkilerde büyüme bozukluklarına ve verim kaybına neden olmaktadır. Dünya bor rezervlerinin %72,5’ine sahip olan Türkiye’de bor toksisitesi, önemli bir sorundur ve ülkenin belirli bölgelerindeki birçok tarım bitkisinin verimini azaltmakta ve kullanılabilir tarım alanlarını kısıtlamaktadır. Dayanıklı tür belirlemeye yönelik yapılan araştırmalar sonucunda Türkiye’de bor madenlerinin bulunduğu arazilerde büyüyebilen ve yüksek bor toksisitesine tolerans gösteren Puccinellia distans (çorak çimi) tanımlanmıştır. Bu bitki türü ile transkriptomik düzeyde çalışılmış olmasına rağmen daha önce proteomik düzeyde herhangi bir çalışma gerçekleştirilmemiştir. Bu çalışmada, P. distans bitkisindeki bor toksisitesine karşı toleransta rol oynayan mekanizmalar proteomik yaklaşımla incelenmiştir. Bu amaca ulaşmak için bitkiler kontrol (optimal bor konsantrasyonlu ortam) ve stres (toksik bor konsantrasyonlu ortam) olarak iki gruba ayrılmış, büyüme evreleri sonunda yaprak dokularında bor biriktirdiği gözlemlenmiştir. Hem yaprakların hem de köklerin yaklaşık 6 gB/kg kuru doku biriktirdiği bulunmuştur. Yaprak dokularından toplam protein ekstraksiyonu gerçekleştirilmiş ve LC-MS yöntemi ile bu grupların protein profillerindeki farklar ile beraber bu farklılıklara neden olan proteinler tanımlanmıştır. Bu çalışmada 189 adet önemli derecede farklı şekilde ifade edilen protein tanımlamıştır. Bunlardan, 3 adedi bor hiper-akümülasyonu için aday proteinler olarak seçilmiştir. Bu yaklaşımla bor hiper-akümülasyonunda görevli olan proteinlerin tanımlanması ve ileride aşırı borlu alanların bitkisel yolla temizlenmezi için P.distans’ın kullanımı çalışmalarının önünün açılması amaçlanmaktadır.