Azot'un Bitki Fizyolojisindeki Rolü

Azot, bitkiler tarafından en fazla ihtiyaç duyulan elementtir. Çok hareketli bir element olan azot, atmosfer, toprak ve canlı organizmalar arasında iyi bir şekilde dolaşır. Azot açısından yeterli olan bitkiler, kuru madde olarak %1–5 arasında N (10.000–50.000 ppm veya mg kg−1) içerir.

1. Azotun Alınması ve Asimilasyonu

Azot, bitki türüne ve topraktaki pH ve redoks durumu gibi koşullara bağlı olarak, genellikle alım şekli olan nitrat (NO3−) iyonu veya amonyum (NH4+) iyonu şeklinde alınır. Azot, pirinç gibi indirgenmiş koşullarda amonyakal formda alınır. Azot, indirgenme işlemi sırasında, asimilasyonu ve alımı için −3 oksidasyon durumuna ulaşır. Nitrat redüktaz ve nitrit redüktaz, nitratı (NO3−) amonyuma (NH4+) dönüştüren iki önemli enzimdir.

Yüksek bitkilerde azotun taşınması, esas olarak nitrat ve amino asitler şeklinde, köklerden üst bitki kısımlarına doğru ksilem aracılığıyla gerçekleşir. NRT ailesine ait yüksek afiniteli H+-bağlantılı semportörler, NO3− alımını mediyatörlük etmektedir. MT taşıyıcıları veya NH3/H+ semportörleri ise NH4+ alımını mediyatörlük etmektedir. Nitrat indirgenmesi ve asimilasyonu çoğunlukla sürgünlerde gerçekleşir. Azot alımı ve asimilasyonunun mekanizması Şekil 1'de gösterilmektedir.

Şekil 1: Azot alımı ve asimilasyonu mekanizması. Enzim nitrat redüktaz, nitratları sitoplazmada nitritlere indirger. Nitritlerin amonyakal forma indirgenmesi, kloroplastlarda nitrit redüktaz enzimi yardımıyla gerçekleşir. Amonyak formundaki azot, glutamat amino asidine asimile edilir. Aşırı azot, vakuollerde nitratlar şeklinde depolanır.

2. Azotun Fizyolojik Fonksiyonları

   
   

   • Azot, bitki hücre bileşenlerinin birkaçının önemli bir bileşenidir. Nükleik asitler, proteinler, amino asitler, fosfolipitler ve birçok diğer ikincil metabolitin temel bileşenidir. Amino asitlerdeki amino grupları, azot elementi tarafından sağlanır ve böylece azotun birincil fonksiyonu korunur.

   
   

   • Azot, nükleik asitlerin temelini oluşturan nükleotidlerin purin ve pirimidin bazlarının halka yapısında bulunur. Nükleik asitlerin bileşeni olarak, deoksiribonükleik asit (DNA) veya ribonükleik asit (RNA) şeklinde, azot genetik kodun gelecek nesillere aktarılmasındaki sorumluluğunu yerine getirir (Rattan 2015).

   
   

   • Yeşil rengini yapraklara veren pigment olan klorofil, içinde azot bulundurur. Azot, klorofilde bulunması nedeniyle özellikle yapraklı sebzeler ve yem bitkilerinde yaprak kalitesini artırır (Rattan 2015).

   
   

   • Azotlu gübrelemenin, glutamik asit, prolin, fenilalanin, sistein, metiyonin ve tirozin gibi amino asitlerin oranını artırdığı, aynı zamanda lizin, histidin, arginin, aspartik asit , treonin, glisin, valin ve lösin miktarlarını azalttığı görülmüştür. Bu durum, gıda tahıllarındaki protein kalitesini artırır (Rattan 2015).

   
   

   • Azot, koenzimlerin biyokimyasında, protein olmayan bileşikler olan fotosentetik pigmentlerde önemli bir rol oynar. Yeterli miktarda bulunduğunda, nitratlar vakuol içinde birikir. Bu, turgor oluşumunda önemli bir rol oynamaktadır (Maathuis 2009).

   
   

Karbon, hidrojen ve oksijenin ardından, azot, bitkilerde önemli bir yapısal bileşen olarak rol oynamaktadır. Azot, karbon, hidrojen, fosfor ve kükürt ile birleşerek, bitkilerdeki çeşitli organik azotlu bileşiklerin yapı taşlarını oluşturur; bunlar arasında proteinler, nükleotitler, porfirinler ve alkaloidler yer alır. Azotun amonyum (NH4) formuna indirgenmesi, organik bileşiklere entegrasyonunu sağlamak için esastır ve bu süreç, nitrat redüktazının NO3'ü NO2'ye indirgemesi ve ardından nitrit redüktazının NO2'yi NH4'e indirgemesi ile gerçekleşir (Campbell, 1999). Glutamin ve asparagin, glutamat ve aspartatın aminasyonu ile oluşturulan başlıca asimilasyon amino asitleridir (Temple et al., 1998).

Tablo 1: Azot metabolizmasında yer alan azot fraksiyonları

Inorganik Azot	Düşük Moleküler Ağırlıklı Organik Azot Bileşenleri	Makromoleküler Organik Azot Bileşenleri
NO3 → –	Amino asitler	Proteinler
NH4 → +	Peptitler	Nükleik asitler
N2 →	Amidleri	Koenzimler
	Üreidler	İkincil ürünler; zar membran bileşenleri
	Aminler

Azot, bitki metabolizmasında inorganik formda ve iki organik formda yer alır; bu organik formlar düşük moleküler ağırlıklı (LMW) veya yüksek moleküler ağırlıklı (HMW) bileşikler olabilir (Tablo 1). Yeşil bitkilerde, protein azotu toplam bitki azotunun yaklaşık %80-85'ini, nükleik asit azotu %10'unu ve amino asit azotu ise %5'ini oluşturur (Kirkby et al., 2009).

Karbon kaybını minimize etmek için, düşük moleküler ağırlıklı azotlu bileşikler, glutamin, asparagin (amidleri), arginin (amino asit) ve üreid allantoin gibi bileşikler baskın ürünlerdir. Bunlar, ana depolama ve taşıma formlarını oluşturur. Bu düşük moleküler ağırlıklı azotlu bileşikler, amine sentezinin öncülleridir ve yüksek moleküler ağırlıklı bileşiklerin oluşumu için ara bileşiklerdir. Aminler, biyomembranların lipid bileşenlerini oluşturur; Örneğin, etanolamin gibi. Düşük moleküler ağırlıklı azot bileşenleri, bitkilerde osmoregülasyona da katılır. Tuzlu koşullar veya su stresi altında, prolin ve glisin betain gibi amino asit türevleri, aşırı Na+ ve Cl−'ın zararlı etkilerini engeller ve enzimlerin inaktivasyonuna karşı korumaktadır (Hasegawa ve Bressnan, 2000). Proteinler, amino asitlerden sentezlenir. Hangi amino asidin ve bunların polipeptit ve protein üretmek için hangi sırayla bağlanacağının belirlenmesi genetik olarak sağlanır. Transkripsiyon adı verilen süreçle, genom (DNA), protein sentezi için bir şablon (mRNA) üretir. Amino asitlerin protein içinde hangi sırayla dizildiği, mRNA’daki nükleotitler tarafından belirlenir. Bir proteinin fonksiyonel özellikleri, polipeptit zincirlerinin katlanmasıyla belirlenen üç boyutlu yapısı tarafından belirlenir. Bu, özel bir grup proteinlerin, şaperonların (Boston et al., 1996) katılımını içerebilir.

Proteinler, hücre zarlarının yapısal bileşenleri olarak görev yapar. Birçok protein, metal kofaktörlerle ligandlar oluşturur ve yüksek katalitik verimlilik elde eder. Plazma membranlarının içsel entegre bileşenleri olarak, proteinler, zarlar boyunca iyon kanalları olarak işlev görür. Savunma ile ilgili özel bir protein sınıfı, lektinler (Puemans ve Van Damme, 1995) ve sisteminler gibi, bitkilerin patojenlere ve mekanik hasara karşı savunma mekanizmalarına katkıda bulunur.

Amino asitler, yalnızca proteinlerin yapı taşları olarak işlev görmekle kalmaz, aynı zamanda birkaç başka fonksiyonu da yerine getirir. Dekarboksilasyona uğrayarak, süperoksit iyonlarının hücresel membranlar üzerindeki toksik etkilerine karşı koruyan, etilen biyosentezini inhibe eden ve sinyal iletim molekülleri olarak işlev gören poliaminlerin öncüllerini oluşturabilirler. L-metiyoninden türeyen nikotianamin, strateji II bitkilerinde demir şelatlarının alımında ve demir homeostazında rol oynayan fitosideroforların öncüsüdür (Curie ve Briat, 2003).

Azot, pürin ve pirimidin bazlarının bir bileşeni olarak nükleik asit metabolizmasında yer alır. Pürin ve pirimidin bazları, pentoz şekerleri ile bağlanarak nükleozitleri oluşturur, bu nükleozitler fosfodiester bağları aracılığıyla birleştirilir ve nükleotitler, nükleik asitleri (RNA, DNA) üretmek için polimerleşir. DNA, iki pürin (adenin ve guanin) ve iki pirimidin (sitozin ve timin) nükleotidi içerir (Kirkby et al., 2009). RNA aynı pürin bileşenlerine sahiptir, ancak bir pirimidin bazı açısından (timine yerine urasil) farklıdır.

Azot, farmakolojik özellikleriyle tanınan ve aynı zamanda herbivorlardan kaynaklanan doku hasarına karşı koruyucu bir rol üstlenen birkaç alkaloidin yapı taşını oluşturur. Çoğu alkaloid, amino asitlerden – fenilalanin, tirozine, triptofan, arginin ve lizin – sentezlenir.

Son zamanlarda, L-argininden türetilen ve L-sitrülline dönüştürülen nitrik oksit (NO) için birkaç rol atanmıştır. Nitrik oksit, son derece difüzör bir gaz olup, dışsal ve içsel faktörlere yanıt olarak sinyal molekülü olarak işlev görür (Lamattina et al., 2003) ve hastalıklara karşı direnç (Delledonne et al., 1998; Grant ve Loake, 2000) ile oksidanların toksik etkilerine karşı korunmaya katkıda bulunur. Azot, bitkilerin yüksek fotosentez oranlarını sürdürerek ve ksantofil döngüsünün koruyucu mekanizmalarını geliştirerek oksidatif strese karşı koruma sağlar, bu süreçte zeaksantin ve anteroksantin pigmentlerinin oranı düşer (Huang et al., 2004). Azotun hangi formda verildiği, bitkilere verilen hasarı da etkileyebilir. Örneğin, nitratla yetiştirilen bitkiler, amonyumla yetiştirilenlere göre fotodamage'ye karşı daha fazla tolerans göstermiştir, bu durum Zhu et al. (2000) tarafından fasulye bitkilerinde gözlemlenmiştir. Amonyumla yetiştirilen bitkilerde, lipid peroksidasyon seviyelerinin daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Azot, fenolik bileşiklerin biyosentezini etkiler ve böylece hücrenin oksidatif durumunu değiştirir (Sanchez et al., 2000; Kovacik ve Klejdus, 2014). Azot eksikliği altında bitkilerde, nitrik oksit sinyal iletimiyle de ilişkilendirilen antioksidan sistemdeki değişiklikler gözlemlenmiştir (Kovacik et al., 2009, 2014). Medina-Pérez et al. (2015), fenilpropanoid biyosentezinin ve antioksidan durumunun, azot eksikliği altında oksidatif strese karşı üstesinden gelmek için arttığını göstermiştir (Virginia et al., 2015). Kausar et al. (2017), son zamanlarda azotun, antioksidan savunma sistemini güçlendirerek oksidatif hasara karşı koruma sağladığını gözlemlemiştir.

3. Eksiklik Semptomları

   
   

   • Azot eksikliği, bitkinin genel büyümesini engeller. Semptomlar, kloroplastların çöküşü nedeniyle yaprakların sararması veya klorozu şeklinde görülür. Azot, bitkilerde hareketli olduğu için eksiklik, bitkinin tabanına yakın eski yapraklarda görülür. Şiddetli eksiklik koşullarında, daha sonra genç yapraklara doğru ilerler. Bu, tüm yaprağın veya yaprak kısımlarının nekroza uğramasına yol açabilir (Agarwala ve Sharma 1976).

   
   

   • Bitkiler küçük ve ince gövdeli görünür. Azot eksikliği, daha küçük yapraklara ve eski yaprakların erken dökülmesine neden olur. Köklerin dallanması kısıtlanır ve bu durum kök gelişimini olumsuz etkiler. Ancak, azot eksikliğinde kök/gövde oranının arttığı gözlemlenir (Mengel ve Kirkby 2006).

   
   

   • Amino asitler, özellikle glisin, proteinler ve klorofil içeriği, azot eksikliği ile azalır. Azot açlığı, ayrıca nişasta ve bazı flavonoidlerin (örneğin rutin ve ferulik asit) ve fenil propanoidlerin artışına yol açabilir (Amtmann ve Armengaud 2009).

   
   

   • Tahıllarda azot eksikliği, daha az sürgün oluşumuna, birim alandaki başak sayısının azalmasına ve başak başına tane sayısının düşmesine neden olur. Taneler küçük kalmasına rağmen, protein konsantrasyonu nispeten daha yüksek kalır. Bu durum, tanelerin doldurulma sürecinin ilerleyen aşamalarında karbonhidratın taneye taşınmasındaki azalmaya bağlanmaktadır (Mengel ve Kirkby 2006). Mısırda azot eksikliğini gösteren soluk yeşil veya sarımsı yapraklar oluşur.

   

   Mısırda azot eksikliği  (Photo: by K.S. Karthika)

   
   

   • Azot eksikliğinde, karbonhidratların azot metabolizmasında kullanılmaması sonucu antosiyanin sentezi gerçekleşir ve bu da antosiyanin birikmesine yol açar. Domates ve bazı mısır çeşitlerinde, azot eksikliği mor renkli yapraklar, gövde ve yaprak sapları olarak gözlemlenir (Taiz ve Zeiger 2002).

   
   

   • Kakao bitkisinde, azot eksikliği durumunda yapraklar soluk sarıya döner ve boyutları küçülür. Eski yapraklar uçlarda yanma belirtileri gösterir ve yaprak sapları gövdeye dik açı yapar.

   
   

4. Toksik Etkileri

   Azot fazlalığı, yaprakların daha koyu yeşil renkte olmasına ve bitkilerin etli büyümesine neden olur. Bitkiler daha uzun büyür ve ağır başaklar, bitkilerin kolayca devrilmesine yol açar. Kalın etli büyüme, böcek, zararlı ve hastalık saldırılarını çekmektedir (Rattan 2015).