Fasulye'de (Phaseolus vulgaris L.) Kuraklık ve Arsenik Ağır Metal Stresi Altında rGO-ZnO Nanopartiküllerinin Fizyolojik, Biyokimyasal Etkileri ve Ağır Metal Stresinde Görev Alan Bazı Genlerin Analizi

Abstract

Bu çalışmada, küresel iklim değişikliğinin beraberinde getirdiği kuraklık (PEG 6000) ve arsenik (As) toksisitesi streslerine karşı, stratejik öneme sahip fasulye (Phaseolus vulgaris L.) bitkisinin fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler yanıtları incelenmiştir. Çalışma kapsamında, çevre dostu yeşil sentez prensiplerine uygun olarak sarımsak (Allium sativum) özütü aracılığıyla ZnO, indirgenmiş grafen oksit (RGO) ve hibrid RGO-ZnO nanopartikülleri (NP) sentezlenmiş ve yapısal karakterizasyonları (XRD, SEM, TEM, FT-IR, EDX) başarıyla gerçekleştirilmiştir. Elde edilen nanomateryallerin stres hafifletici etkileri, As'ye hassas (G-53) ve toleranslı (G-68) olduğu belirlenen iki farklı fasulye genotipi üzerinde test edilmiştir. Bulgular, stres koşullarının her iki genotipte de büyüme parametrelerini, klorofil içeriğini (SPAD) ve yaprak nispi su içeriğini (YNSİ) düşürürken; membran hasarını (MDA) ve H2O2 birikimini artırdığını göstermiştir. Ancak NP uygulamaları, oksidatif stresi baskılayarak bu olumsuz etkileri genotipe özgü mekanizmalarla hafifletmiştir. G-53 genotipinde tolerans, büyük ölçüde ZnO ve RGO-ZnO NP varlığında artan POD ve CAT enzim aktiviteleri ile sağlanırken; G-68 genotipinde özellikle hibrid NP uygulaması altında güçlü bir HMT (Heavy Metal Tolerance) ve NBS gen ekspresyonu ile karakterize edilen moleküler bir savunma stratejisi gözlemlenmiştir. Element içeriği analizleri, RGO-ZnO NP uygulamasının G-53 genotipinde arseniğin kökten sürgüne taşınımını (translokasyon) teşvik ettiğini, G-68'de ise element dengesini korumaya yardımcı olduğunu ortaya koymuştur. Moleküler düzeyde incelenen 11 genin (LIP1, NBS, CSL, HMT, HMA2, JAZ, PRK, ZEP, rbcS, Cupin, GLB) transkripsiyonel profilleri, bitkilerin NP ve stres kombinasyonlarına verdikleri yanıtların Genotip x Uygulama interaksiyonuna bağlı olduğunu kanıtlamıştır. Sonuç olarak, yeşil sentez ürünü ZnO, RGO ve hibrid RGO-ZnO nanopartiküllerinin, abiyotik stres toleransını artırmada sinerjistik bir potansiyele sahip olduğu, ancak bu teknolojinin etkinliğinin bitkinin genetik altyapısına göre optimize edilmesi gerektiği belirlenmiştir.

In this study, the physiological, biochemical, and molecular responses of the strategic crop Phaseolus vulgaris L. (common bean) to drought (PEG 6000) and arsenic (As) toxicity were investigated. Within the scope of the study, ZnO, Reduced Graphene Oxide (RGO), and hybrid RGO-ZnO nanoparticles (NPs) were synthesized using garlic (Allium sativum) extract in accordance with green synthesis principles. Structural characterizations (XRD, SEM, TEM, FT-IR, EDX) were successfully performed, confirming the high purity and desired morphology of the synthesized nanomaterials. The stress-mitigating effects of these nanomaterials were evaluated on two distinct bean genotypes: G-53 (As-sensitive) and G-68 (As-tolerant). The findings indicated that stress conditions suppressed growth parameters, chlorophyll content (SPAD), and leaf relative water content (RWC) in both genotypes, while significantly increasing lipid peroxidation (MDA) and H2O2 accumulation. However, NP applications alleviated these adverse effects through genotype-specific mechanisms by suppressing oxidative stress. In the G-53 genotype, tolerance was largely mediated by increased POD and CAT enzyme activities in the presence of ZnO and RGO-ZnO NPs. Conversely, the G-68 genotype exhibited a robust molecular defense strategy characterized by strong expression of HMT (Heavy Metal Tolerance) and NBS genes, particularly under hybrid NP application. Elemental content analyses revealed that RGO-ZnO NP application promoted root-to-shoot translocation of arsenic in the G-53 genotype, whereas it facilitated the maintenance of elemental homeostasis in G-68. Transcriptional profiling of 11 genes (LIP1, NBS, CSL, HMT, HMA2, JAZ, PRK, ZEP, rbcS, Cupin, GLB) demonstrated that plant responses to NP-stress combinations were strictly governed by significant Genotype × Treatment interactions. Consequently, it was concluded that green-synthesized RGO-ZnO hybrid nanoparticles possess a synergistic potential to enhance abiotic stress tolerance; however, the efficacy of this technology requires optimization based on the plant's genetic background.