Başka canlılardan gelen saldırılara ve mekanik hasarlara karşı ani bir savunma sistemi geliştirmek bütün organizmalar için hayati önem taşır. Çok hücreli canlılar beklenmedik bir yaralanma oluştuğunda, ortamdan kaçmak ya da kendilerini avcılara karşı korumak için bir dizi mekanizma geliştirmişlerdir. Bitkiler hareket etmeyen yapıları ve otcul hayvanlardan kaçamamaları sebebiyle, kendileri ile beslenmek isteyen canlıları caydırmak ve hasar görmüş dokularını onarmak için kimyasal savunma yöntemleri kullanmak zorundadırlar. Science (Bilim) dergisinin 361. sayısında, Masatsuğu Toyota ve deney arkadaşları (1) Arabidopsis thaliana model bitkisinde tırtıllara ve fiziksel yaralanmalara karşı uzun mesafeli kalsıyum sinyal yolağının etkinleştiğini ortaya koydular. Sinyal yolakları; iyon, protein vb çeşitli moleküllerin birbileri ile ardisik bir şekilde etkileşimi ile hücre içi ve hücreler arası iletişimi sağlayan mekanizmalardır. Çalışmayı yürüten araştırmacılar ayrıca, kalsıyum sinyallerinin iletilmesi için glutamat benzeri reseptör kanallarının (İngilizce: Glutamate-like receptor, GLR) gerektiği sonucuna vardılar. Reseptörler (Türkçe’de alıcı da diyebiliriz), genellikle hücre zarlarında bulunan ve kendisine bağlanan moleküller ile etkinleştirilebilen protein yapılarıdır. Bu anlamda bir tür amino asit olan glutamat, GLR’lere bağlanarak bu reseptörleri etkin hale getirir. Glutamat, esas olarak memeli sinir sisteminde karşılaşılan ama yakın zamanda bitkilerde gelişim sinyali olarak da görev yaptığı ortaya konan bir nörotransmiter (bir uyarıyı iletmek amacıyla bir sınır hücresinden dışarıya salınarak başka bir sınır hücresini uyaran çeşitli moleküller) maddedir. Memelilerde hızlı uyarıcı iletilerin sinir hücreleri arasında geçişini sağlamada merkezi rol oynayan glutamat reseptörlerinin bitkilerde yaralanma ve savunmaya bağlı olarak uzun mesafeli sinyal iletiminde kullanılması, bu iki canlı türü arasında oldukça ilgi çekici bir benzerlik ortaya koyuyor.

Çalışma, görüntüleme yöntemlerini genetik yöntemlerle birlikte kullanarak hasar görmüş yaprakların hızlı ve uzun mesafeli bir sinyal yolağı ile kendisinden mesafe ve gelişim açısından uzakta bulunan başka yapraklarla iletişim kurabildiğini gösterdi. Toyota ve arkadaşları hasar gören yapraklardaki kalsiyum sinyallerinin 2 saniye, yaralanan bölgeden uzaktaki yapraklarda ise 2 dakika içinde arttığını tespit ettiler. Ek olarak, bu kalsiyum sinyali bitkinin dolaşım sisteminde yaklaşık olarak 1 mm/s hızıyla ilerlediğinden, yapılan gözlemin difüzyon, maddelerin yoğun ortamdan az yoğun ortama, enerji kullanımı gerektirmeden geçebilesi, ile açıklanamacağı kanısına vardılar. Bu sistemik kalsiyum değişikliğinin, dışarıdan glutamat eklenerek tetiklenebilmesi ancak başka amino asitlerin dışarıdan eklenmesi karşısında aynı etkinin görülmemesi, GLR’lerin önemine işaret ediyor. Glutamat bağlanmasıyla açılan GLR’ler hücre içine kalsiyum iyonlarının geçmesini sağlayarak hücre içi ve dışı iletişimi sağlarlar. Araştırmacılar kalsiyum sinyallerinin bitkinin farklı bölgelerine nasıl yollandığını daha iyi anlamak amacıyla GLR3.3 ve GLR3.6 tipi glutamat kanallarını yapay yollarla mutasyona uğrattılar, ve bu mutant kanallarda kalsiyum sinyallerinin uzun mesafeye yollanamadığını gözlemlediler. Bitkilerdeki bu GLR’ler hem genetik dizi hem de protein yapısı açısından, memelilerde öğrenme ve hafıza için önemli olan ve etkinliği iyon bağlanması ile düzenlenen glutamat reseptörlerine (İngilizce: Ionotropic Glutamate Receptors, iGR) büyük yakınlık gösteriyor. Bu durum ise benzer proteinlerin bitkilerde ve hayvanlarda farklı fizyolojik görevleri yürütebildiği sonucunu doğuruyor.

Toyota ve arkadaşlarının araştırmaları, memeli iGR’lerinin detaylı yapısal ve işlevsel özelliklerinin incelendiği çalışmaları temel alıyor (3). Bitki GLR’leri ile hayvan iGR’leri yapı ve genomdaki bolluk bakımından benzerlikler gösteriyor. (4,5). Bitki GLR genleri evrimsel olarak 3 sınıfta toplanıyorlar. Yukarıda bahsedilen GLR3.3 ve GLR3.6 üçüncü evrimsel sınıfa dahiller. Memelilerdeki iGR’lere benzer şekilde, glutamat molekülü GLR3.4 reseptörüne bağlandığında, reseptörün protein yapısında bazı değişikliklere yol açıyor. Glutamat bağlandığında, reseptörün bir kısmında adeta bir kapı gibi küçük kanallar açılıyor ve bu boşluklardan çeşitli iyonlar hücre içine geçebiliyorlar. Bu tip bir iyon kanalı özelliğinin şimdiye kadar bitki GLR’lerinden yalnızca GLR3.4’te gerçekleştiği gözlemlenmişti (6). Sınıf 3 GLR’ler ayrıca farklı bir tür glutamat reseptörü olan ve metabolik faaliyetler sonucu üretilen maddeler ile etkinliği düzenlenen glutamat reseptörleri (İngilizce “metabotropic glutamate receptors”, mGluR) ile benzer yapısal özellikler barındırıyor. mGluR’ler, acıya ve zehirli uyaranlara karşılık vermek gibi birçok biyolojik işlemde rol alıyorlar. Ancak GLR3’lerin sahip olduğu bu özelliklerin bitkilerdeki yaralanmaya karşı verilen tepkide doğrudan etkin olup olmadığını anlamak için daha fazla bulgu gerekiyor.

Bu çalışma ile önemli bir soru ortaya çıkıyor: Bu uzun mesafeli kalsiyum sinyali bitkide nasıl ilerliyor? Memeli sinir sisteminde glutamat uzun mesafeli iyonik tepkileri harekete geçiren yerel bir sinyal. Glutamat molekülleri sinir hücrelerinden sinaptik kesecikler aracılığıyla sinapslara, sinir hücrelerinin birbirleriyle iletişim kurdukları yapılara, salınır. Daha sonra, salındıkları sinir hücrelerine komşu olan diğer sinir hücrelerinin zarında yer alan iGR’lere bağlanarak bu kanalların açılmasını ve hücre içine kalsiyum ve diğer iyonların geçişini sağlar. Bu iyon geçişi hücre zarındaki elekrik potansiyelini sağlayarak, sinyalin diğer hücrelere doğru ilerlemesini sağlar. Toyota ve arkadaşlarının yaptığı araştırma ise glutamatın bitkilerdeki özelliğinin, memeli sistemlerindekinden farklı olarak, daha çok hormonal bir temele sahip olduğu izlenimini uyandırıyor. Bu izlenim bitkinin damar sistemine yerleştirilen ve kalsiyum varlığında isima yapan proteinlerle yapılan deneyler ile desteklendi. Ayrıca araştırmacılar, jasmonat adı verilen, bir başka yaralanma sinyali moleküllerinin sentezlendiği hücrelerde de GLR3.6 varlığını saptadılar. Floresan glutamat sensörü sayesinde glutamat molekülü seviyesinin yaralanma anında ve yara etrafında arttığı, damarlar aracılığıyla iletildiği ve yaralanmadan sonra ise yapraktan çıkış yaptığı gözlemlendi. Bu gözlemler, bir avcı müdahelesi veya mekanik yaralanma esnasında dolaşım sistemine glutamat salındığını ve bu yolla uzun mesafeler katederek damarların yüzeyindeki GLR3’lere bağlanarak bu kanalları etkinleştirdiğini, dolayısıyla bu hücrelere kalsiyum iyonu girişinin arttığı fikrini ortaya koydu. Daha önceki bazı çalışmalar da bu bulguları destekler nitelikteydi. Araştırmacılar GLR3.3 ve GLR3.6’nin iyon kanalı şeklinde etkinlik göstererek hasara bağlı olarak yüzey potansiyelini değiştirdiğini ortaya koymuştu (10-12). GLR3 etkinliği hasar görmüş bölgeden uzaktaki diğer yapraklardaki jasmonat üretimini arttırıyor. Jasmonat miktarının artması da bitkiye hücum edecek organizmalara karşı bitkinin direncini arttırıyor. Ancak uzun mesafeli glutamat taşınmasının, ani kalsıyum değişikliklerini tetikleyip tetiklemediğini ortaya koymak için ek bazı deneylere ihtiyaç var gibi duruyor.

Toyota ve arkadaşları bu sonuçlara mikroskop ve biyosensör alanında geliştirilen güçlü tekniklerden faydalanarak ulaşabildiler. Araştırmacılar görüntüleme teknikleri ile kalsiyum ve glutamat moleküllerinin uzun mesafede hızlı bir şekilde iletimini gözlemleyebildikleri 2 adet kalsiyum ve bir adet glutamat sensörü kullandılar. Kullandıkları mikroskobu yüksek verimli bir kamera ile güçlendirerek geniş bir görsel alanda zayıf floresan sinyallerini, gerçek zamanlı kayıt ile de sinyallerdeki ani değişimleri yakalama olanağına sahip oldular. Daha önceki çalışmalarda bu denli ayrıntılı sonuçlara ulaşmak mümkün olmamıştı.

Tüm bu sonuçlar glutamat ve GLR’lerin bitkilerde sinyal iletiminde önemini bir kez daha ortaya koymakta (2). Yaralanma sinyallerini bitkinin farklı bölgelerine iletmek için glutamatın kendisinin mi, yoksa tetiklediği iyon sinyallerinin mi uzun mesafelere taşındığını çözmek içinse yeni çalışmalar gerekmekte. Uzun mesafeli glutamat değişiklikliklerini ölçen biyosensörlere ek olarak glutamat moleküllerine isima yapan moleküller ekleyerek hasar gören bölgede üretilen glutamat moleküllerinin dolaşım sistemi boyunca ilerlemesi ve yaralanmamış yapraklarda savunma mekanizmasını tetiklemesi ihtimali test edilebilir. Glutamatın bitkiler aleminin diğer üyelerinde de gelişim ve çevresel tepkilerde rol alıp almadığı, gelecek çalışmalar için oldukça ilgi çekici bir araştırma konusu olacak.

Çeviri: Uğur Dağ

Düzenleme: Bilge San

Görsel: Tuomas Puukko, https://www.flickr.com/photos/tpuukko/16486486480

Özgün metin: http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1068?iss=6407

Özgün çalışma: http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1112

Diğer Kaynaklar:

  1. M. Toyota et al., Science 361, 1112 (2018)
  2. B. G. Forde, J. Exp. Bot. 65, 779 (2014)
  3. S. F. Traynelis et al., Pharmacol. Rev. 62, 405 (2010)
  4. M. M. Wudick et al., J. Exp. Bot. 10.1093/jxb/ery153 (2018)
  5. M. B. Price, J. Jelesko, S. Okumoto, Front. Plant Sci. 3, 235 (2012)
  6. E. D. Vincill, A. M. Bieck, E. P. Spalding, Plant Physiol. 159, 40 (2012)
  7. S. Chiechio, F. Nicoletti, Curr. Opin. Pharmacol. 12, 28 (2012)
  8. G. R. Elliott, S. P. Leys, J. Exp. Biol. 213, 2310 (2010)
  9. M. L. Campos, J. H. Kang, G. A. Howe, J. Chem. Ecol. 40, 657 (2014)
  10. S. A. Mousavi, A. Chauvin, F. Pascaud, S. Kellenberger, E. E. Farmer, Nature 500, 422 (2013)
  11. V. Salvador-Recatalà, W. F. Tjallingii, E. E. Farmer, New Phytol. 203, 674 (2014)
  12. V. Salvador-Recatala, Plant Signal. Behav. 11, e1161879 (2016)