Bitkisel verimliliği etkileyen her türlü çevresel stres faktörü fotosentez olayını da etkilemektedir. Bu nedenle stres fizyolojisi ile ilgili çalışmalarda en fazla incelenen olaylardan biri de fotosentezdir. Günümüze kadar fotosentez hızının veya
fotosentetik aktivitenin ölçülmesine yönelik birçok metod geliştirilmiştir. Bu yöntemler genellikle gaz alış verişinin, atmosferden alınan CO2 miktarının, atmosfere verilen O2 miktarının ya da fotosentez sonunda oluşturulan karbonhidratlardan ileri gelen ağırlık artışının ölçülmesi ilkesine dayanmaktadır (Kacar, 1996 ).
Günümüzde fotosentezin ölçülmesinde kullanılan en modern ve hassas teknik klorofil a floresansıdır (Maxwell ve Johnson, 2000; Hunt, 2003; Baker ve Rosenqvist, 2004). Klorofil a floresans veriminde bazı değişimlerin meydana geldiği ilk olarak Kautsky ve arkadaşları (1960) tarafından gözlenmiştir. Bu araştırıcılar fotosentetik materyalin karanlık ortamdan aydınlığa çıkarılması durumunda klorofil a floresansı veriminde çok kısa bir süre için artış olduğunu gözlemişlerdir.
Klorofil a floresans analizlerinin temel prensibi oldukça basittir. Klorofil molekülleri tarafından absorblanan ışık enerjisinin izleyebileceği üç yol vardır. Absorblanan ışık enerjisi ya elektron taşınım reaksiyonlarının gerçekleşmesi için kullanılır ya da ortama ısı veya ışık olarak geri verilir. Absorblanan ışığın ortama daha uzun dalga boylu ışık olarak geri verilmesi olayına “floresans” adı verilir. Bu olay kloroplastlardaki klorofil a molekülleri tarafından gerçekleştirildiği için genel olarak “klorofil a floresansı” olarak bilinmektedir. Bu üç olay birbiriyle sürekli rekabet halindedir ve herhangi birinin etkinliğindeki artış, diğer ikisinin etkinliklerinin azalmasına yol açar. Bu durumda klorofil floresans veriminin ölçülmesi ile fotokimyasal olayların etkinliği ve ısı olarak ortama geri verilen enerji miktarı hakkında da bir fikir elde edilebilmektedir (Maxwell ve Johnson, 2000).
Klorofil a floresansı ölçümleri ile FS II’ nin durumu hakkında bilgi elde edilmektedir. Klorofil moleküllerinin absorbladığı ışık enerjisinin ne kadarının fotosistem II tarafından kullanıldığı ve fazla ışık enerjisi nedeniyle FS II’ de meydana gelen zararın boyutları gibi konularda fikir vermektedir. FS II’ de meydana gelen elektron hareketleri, tüm fotosentez hızı hakkında belirleyici etkiye sahiptir. FS II aynı zamanda, ışık etkisiyle çeşitli zararların meydana geldiği fotosentetik aygıtın en duyarlı bölgesi olarak bilinmektedir. Herhangi bir stres faktörünün etkili olduğu ilk bölgenin de FS II olduğu bilinmektedir (Maxwell ve Johnson, 2000). Bu tekniğin
sağladığı en büyük avantajlardan biri de, herhangi bir stres faktörünün gözle görünür belirtilerinin gözlenmesinden çok daha önce stres etkilerinin belirlenmesini sağlamasıdır. Klorofil a floresansı ölçümleri ile bir bitkinin fotosentetik performansı hakkında değerli bilgiler elde edilmektedir. Ancak bu metodun asıl avantajlı olan yanı, diğer metodlarla elde edilemeyen bazı bilgiler sağlamasıdır. Floresans analizleri özellikle bitkilerin herhangi bir stres faktörünü tolere edebilme yeteneği ve bu stresin fotosentetik aygıt üzerinde neden olduğu zararın boyutları hakkında bilgi sağlamaktadır.
2.7.1. Klorofil a floresans indüksiyon kinetikleri
Klorofil a floresans kinetikleri, farklı çevresel stres faktörlerinin fotosentez üzerindeki etkilerinin araştırılması için kullanılan oldukça modern ve hassas bir tekniktir (Kalaji ve ark., 2011). Klorofil floresans ölçümleri ile ilgili en önemli nokta, FS II’ nin ilk elektron akseptörü olan QA’ nın redoks durumudur. QA okside durumda iken floresans düşük, QA indirgenmiş durumda (QA-) ise floresans yüksektir. Bu durumda klorofil floresans verimi QA-‘nın net konsantrasyonu ile ilgilidir (Govindjee, 2004).
Klorofil a floresans indüksiyon kinetikleri ile ilgili ölçümlerden önce, yapraklara özel klipsler yardımıyla 45-60 dakika boyunca karanlık adaptasyonu uygulanır. Böylece elektron taşınım sistemi elektronlardan tamamen kurtarılır ve tüm bileşenler okside forma geçirilir. Daha sonra yaprak yüzeyine yüksek yoğunlukta ışık uygulandığında floresans sinyalleri “O” noktasından (Fo; minimum floresans) “J” noktasına (Fj) ulaşır. Yaklaşık 3 ms içinde meydana gelen bu artışın nedeni, QA’ nın FS II tarafından indirgenmesidir. Daha sonra floresans sinyalleri yaklaşık 30 ms içinde “I” noktasına ulaşır (Fı). Çünkü bu noktada plastokinon havuzu tamamen indirgenmiştir. Son aşamada ise floresans sinyalleri yaklaşık 300 ms içinde, FS I’ in elektron akseptör bölgesi tamamen indirgendiği için “P” noktasına ulaşır (Fm, maksimum floresans) ve daha sonra birkaç dakika içinde floresans azalmaya başlar. “O” noktasında bütün QA molekülleri okside durumda olduğundan, reaksiyon merkezleri açıktır ve primer fotokimyasal olaylar hızlıdır. “P” noktasında ise tüm QA
molekülleri indirgenmiş olduğundan, reaksiyon merkezleri kapalıdır. Elde edilen floresans sinyalleri ile zamanın logaritmik değerleri arasındaki ilişkiyi gösteren grafiğe “OJIP eğrisi” adı verilir (Govindjee, 2004). Bu eğrinin şekli klorofil a içeren tüm fotosistemler için benzerdir (Şekil 2.7).
OJIP eğrisinin farklı noktalarındaki klorofil a floresansı sinyallerinden faydalanılarak geliştirilen “JIP testi” günümüzde bitki stres fizyolojisi alanında fotosentetik aygıtın çevresel faktörlerde meydana gelen değişimlere verdiği cevapların araştırılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır (Yusuf ve ark., 2010). JIP testi, Strasser (1981) tarafından oluşturulan “biyomembranlardaki enerji akış teorisine” dayanan ve ışık verilen tüm fotosentetik canlılarda gözlenen polifazik ve hızlı floresans kinetiklerinin analiz edilmesini sağlayan bir kavramdır. JIP testi araştırmacılara FS II aktivitesi, floresans sinyalleri ve bunların analitik olarak ifade edilmesi arasındaki ilişkileri inceleme imkanı sunmaktadır (Bussotti ve ark., 2007). Bu yöntem FS II içerisinde meydana gelen enerji giriş ve çıkışları arasındaki dengeyi ifade eden basit eşitliklere dayanır. Böylece JIP testi hem absorblanan ışık enerjisinin fotosentetik aygıt içerisinde izlediği yol ve bu enerjinin akibeti hakkında hem de stres altındaki bitkilerde FS II’ nin yapısal ve fonksiyonel durumu hakkında bilgiler sağlamaktadır.
Şekil 2.7. OJIP eğrisi ve önemli zaman noktaları.
JIP testinin uygulanmasıyla hesaplanan bazı parametreler reaksiyon merkezi (reaction center; RC) başına veya yaprak birim alanı (cross section; CS) başına ışık
enerjisinin absorbsiyonu (absorbtion; ABS) ile ilgili enerji akışları, eksitasyon enerjisinin yakalanması (trapping; TR) ve elektron taşınımı (electron transport; ETR) ile ilgilidir. Ancak terminolojik anlamda kolaylık sağlamak için reaksiyon merkezi başına hesaplananlar “spesifik enerji akışları”, yaprak birim alanı başına hesaplananalar da “fenomenolojik enerji akışları” olarak adlandırılmaktadır. Bunların ortaya çıkarılmasında, bazıları ölçülen bazıları da hesaplanmış olan parametrelerden faydalanılmaktadır. JIP testi aynı zamanda FS II’ nin yapısında bulunan sekonder elektron alıcısı olan kinon B’ yi (QB) indirgeyemeyen reaksiyon merkezlerinin miktarının ve FS II içerisindeki birimlerde meydana gelen enerji akışları hakkında da bilgi sağlamaktadır. JIP testi ile elde edilen ve bitki stres fizyolojisi alanında kullanılan bazı önemli parametreler Tablo 2.1.’ de verilmiştir.
Tablo 2.1. JIP testinden elde edilen bazı parametreler ve tanımları (Kalaji, 2011).
Floresans parametresi
Tanımı F Herhangi bir zaman noktasındaki gerçek floresans
Fo Karanlık adaptasyonu sağlanmış örnekte tüm FS II reaksiyon merkezlerinin açık olduğu andaki minimum floresans (t=0 noktasında)
Fj OJIP eğrisinin “J” noktasındaki floresans (t=3 ms) Fı OJIP eğrisinin “I” noktasındaki floresans (t=30 ms)
Fm Karanlık adaptasyonu sağlanmış örnekte tüm FS II reaksiyon merkezlerinin kapalı olduğu andaki maksimum floresans
Fv Fotokimyasal olmayan tüm prosesler minimum seviyede iken maksimum değişken floresans
Fv/Fm FS II’ nin ışık toplayıcı anten molekülleri tarafından kimyasal enerjiye dönüştürülmek üzere absorblanan ışığın maksimum verimi yani FS II’ nin maksimum kuantum etkinliği
Fv/Fo FS II’ nin donor bölgesinde fonksiyonel olan fotoliz olayının etkinliği ABS/RC Reaksiyon merkezi başına FS II’ nin ortalama anten boyutu
ETo/RC FS II’ de reaksiyon merkezi başına QA’ dan sonraki basamaklardaki maksimum elektron taşınımı (t=0 noktasında)
TRo/RC FS II’ de reaksiyon merkezi başına yakalanan ve QA’ nın indirgenmesini sağlayan maksimum enerji (t=0 noktasında)
DIo/RC FS II’ de reaksiyon merkezi başına fotokimyasal olaylar dışında kaybedilen dissipasyon enerjisi (t=0 noktasında)
RC/ABS FS II’ deki anten klorofilleri başına aktif reaksiyon merkezi miktarı
Alan OJIP eğrisinin üzerinde kalan, Fo ile Fm arasında bulunan ve indirgenmiş plastokinon (PQ) havuzunun boyutunu ifade eden bölge (şekil 2.7’ deki mavi taralı alan)
tFm Fm’ ye ulaşılması için gereken zaman
V/to Kapalı reaksiyon merkezlerinin birikim hızı
Tablo 2.1. (Devamı)
kN Uyarılmış antenlerdeki fotokimyasal olmayan reaksiyonlar için de-eksitasyon katsayısı
kP Uyarılmış antenlerdeki fotokimyasal reaksiyonlar için de-eksitasyon katsayısı
N Fm’ ye ulaşılıncaya kadar geçen sürede QA’ nın indirgenme sayısı PIABS Performans indeksi
SFIABS FS II’ nin yapısal ve fonksiyonel durumunun indikatörü SM Tüm reaksiyon merkezlerinin kapanması için gereken enerji
SumK Fotokimyasal ve fotokimyasal olmayan hız sabitlerinin toplamı (kN+kP)
0 Yakalanan bir eksitonun bir elektronu QA’ dan elektron taşınım sistemine hareket ettirme etkinliği
Do Termal dissipasyonun kuantum verimi
Eo QA’ dan PQ’ ya elektron taşınımının kuantum verimi
/(1-) Fotokimyasal (aydınlık) reaksiyonların performans göstergesi
0/(1-0) Işığa bağımlı olmayan (karanlık) reaksiyonların performans göstergesi
Ro PQ’ dan FS I’ in son elektron akseptörüne elektron taşınımının kuantum verimi
Ro Elektronların sistemler arası elektron taşıyıcılarından FS I’ in akseptör bölgesine taşınım hızı