Az ELTE és a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont kutatói kimutatták, hogy a lándzsadísz nevű dísznövény levelei a vízraktározó sejtrétegeiknek köszönhetően 45 napig hatékonyan képesek a vizet raktározni, és így változatlanul meg tudják őrizni fotoszintetikus aktivitásukat és zöld színtestjeik szerkezetét.
Ezeknek az alapvető szerkezeti és működési folyamatoknak a megértése hosszú távon hozzájárulhat a szárazsághoz jobban alkalmazkodó haszonnövények nemesítéséhez.
A kutatások rávilágítanak arra, hogy ez a növény milyen további szabályozási mechanizmusoknak köszönhetően képes 45 nap vízhiány alatt is gyakorlatilag változatlanul megőrizni a fotoszintetikus apparátusának szerkezetét és működését.
Eredményeikből kiderült, hogy a színtestek fotoszintetikus membránjainak alapegységei a vízvesztés következtében mindössze 1 nm-rel zsugorodnak, de a növények újralocsolása után 18 órával helyreállnak.
Aszály és evolúció: vajon meddig lehet alkalmazkodni?
Az evolúció során a szárazföld meghódítása különleges kihívást jelentett a vízi környezethez szokott növényeknek, melyeknek alkalmazkodniuk kellett számos környezeti tényezőhöz, köztük elsősorban ahhoz, hogy akár hosszabb, csapadékmentes időszakokat is túléljenek.
Egyes fajok speciális stratégiákat fejlesztettek ki ezen időszakok átvészelésére, azonban a legtöbb gazdaságilag fontos haszonnövényünk érzékenyen reagál az aszályra, amit az elmúlt évtizedekben a klímaváltozás következtében egyre gyakrabban tapasztalhattunk Magyarországon is.
A vízhiány negatívan hat a növények anyagcserefolyamataira, köztük az energiatermelő fotoszintézisre is, ezáltal kihat növekedésükre és terméshozamukra, szélsőséges esetben pedig a növények pusztulásához is vezethet.
Csak az Európai Unióban és az Egyesült Királyságban éves szinten átlagosan 9 milliárd euróra becsülik a szárazsággal összefüggésben keletkező (mező)gazdasági károkat. A fentiek miatt különösen fontos vizsgálni és megérteni azon növényfajok anyagcseréjét, melyek képesek hosszabb száraz időszakok alatt is megőrizni fotoszintetikus aktivitásukat és túlélni.
A lándzsadísz (Ctenanthe setosa) egy dél-amerikai eredetű növény, melyet szobanövényként és zöldfalak vagy trópusi hatású épületek belsejében találunk meg dísznövényként. Mi az ELTE Füvészkertjének gyűjteményéből kaptuk őket. Mivel akár 45 vagy 60 napot is kibírnak öntözés nélkül, ezért ideálisak azok számára, akik hajlamosak elfeledkezni az öntözésről
– jegyzi meg a témában publikált tanulmány első szerzője, az Indiából származó doktorandusz, Richard Hembrom. A Stipendium Hungaricum ösztöndíjnak köszönhetően az ELTE-n doktori tanulmányokat folytató Richard doktori munkája során azt vizsgálta, hogy hogyan hat a szárazságstressz a növényi színtestek szerkezetére és működésére, azon belül is elsősorban a bennük zajló fotoszintézisre.
Egy szárazságtűrés anatómiája
A kutatás kimutatta, hogy a növény levelei teljesen bepöndörödtek, hogy csökkentsék a párologtatás általi vízvesztést, de a növény levelének víztartalma így is fokozatosan csökkent a szárazság hatására.
Ugyanakkor a zöld színtestek működése és szerkezete alig változott a hosszú száraz időszak alatt. A levelek színi és fonáki oldalán a bőrszövet alatt speciális sejtréteg helyezkedik el, amely feltehetően a víz raktározásában játszik szerepet, mivel a szárazság hatására ez a sejtréteg vékonyodott el a legjelentősebb mértékben. A levelek fonákának lilás színéért az itt előforduló antocián nevű színanyag felelős, melynek szerepe lehet a bepöndörödött, stresszelt levelek fényvédelmében.
A színtestek szerkezetvizsgálata különösen szárazságstressz alatt jelent kihívást, ugyanis a sejtszintű struktúrák elemzését lehetővé tévő elektronmikroszkópos vizsgálatok előtt a legtöbb mintát bonyolult, és vizes vagy egyéb oldószer fázisú oldatokat is tartalmazó protokoll szerint kell előkészíteni.
Nem garantálható, hogy a szárazságstressznek kitett levélre jellemző állapotot meg tudjuk őrizni ezalatt, és a mintaelőkészítés során adagolt víz nem befolyásolja a kapott eredményeket vagy nem vezet műtermékekhez.
Különösen érdekes ez a kérdés, mivel számos cikkben más kutatók elektronmikroszkópos vizsgálataik alapján azt írták le, hogy a színtestekben lévő zsákszerű, ún. tilakoidmembránok belső ürege megduzzad a szárazságstressz alatt. A duzzadáshoz azonban feltehetően vízre van szükség, amiből ebben az állapotban pont kevés van a növényi sejtekben, ami ellentmondás.
Az ellentmondás feloldása
Az ellentmondás feloldására kiváló lehetőséget biztosított a növényt vizsgáló ELTE-s növénybiológusok és az anyagvizsgálatokban is alkalmazott kisszögű neutronszórás mérésekben jártas fizikusok együttműködése.
A növény levelét a neutronok útjába helyezve a neutronok szóródnak a rácsszerűen ismétlődő szerkezetű fotoszintetikus tilakoidmembránokon, az ún. gránumokon, melyek több réteg, egymáson elhelyezkedő tilakoidból állnak.
A szóródási mintázatból pontosan meg lehetett határozni a membránok szerkezetét jellemző rácsállandót, pontos nevén ismétlődési távolságot, ami a gránumokban lévő, ismétlődő alapegység méretének feleltethető meg. Ez az érték a kontroll növényekben mért 20 nm-ről a kiszáradt növényekben 19 nm-re csökkent
– magyarázza Ünnep Renáta, a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont munkatársa a mérés főbb eredményeit.
Hasonló csökkenést lehetett kimutatni a hagyományos mintaelőkészítést követően vizsgált elektronmikroszkópos képeken is. Ugyanakkor mindkét vizsgálat rámutatott, hogy a növények gránumainak szerkezete mind az eltérő növények között, mind az azonos növény eltérő levelei és még az egyes levelek eltérő régiói között is nagymértékben változnak, ezért nehezen összehasonlíthatók egymással.
A kis szögű neutronszórás mérések hatalmas előnye ebben az esetben, hogy egy szárazságstressznek kitett növényt a Tennessee-ben található, a világ legerősebb gyorsító alapú neutronforrásának a neutronnyalábjába helyezve akár perces vagy órás felbontásban lehet követni ahogy az újralocsolást követően a gránumok szerkezete megváltozik. A membránok ismétlődési távolsága 18 óra után ismét a kontroll növényekben is mért 20 nm körüli értéket vette fel
– emeli ki a kutatás egyik legnagyobb újdonságát Nagy Gergely, az amerikai Oak Ridge National Laboratory munkatársa, aki ezeket a méréseket végezte.
Ekkor ugyanazon levél régió ugyanazon gránumjait vizsgáljuk, míg az elektronmikroszkópos mintavétel invazív, ahhoz le kell vágni egy levéldarabot, így abban az esetben nem tudjuk ugyanazon színtestek szerkezetét időben és mindenféle beavatkozás és mintaelőkészítés nélkül vizsgálni – erre csak a neutronok képesek
– tette hozzá a kutató.
Ünnep Renáta és Nagy Gergely már számos növény és alga színtestjét vizsgálta ezen módszerrel, és a Solymosi Katalin által az ELTE Növényszervezettani Tanszékén vezetett, színtestekkel foglakozó kutatócsoporttal is számos korábbi együttműködésük volt már.
Ugyanakkor ez az első alkalom, hogy teljesen érintetlen, gyökeres és cserepes növény színtestjeinek szerkezetét kisszögű neutronszórással vizsgálták. Korábbi esetekben levágott leveleket vagy levéldarabokat vizsgáltak, és a nagyobb kontraszt érdekében a mintákat sok esetben nehézvízzel (deutériumos víz) kezelték. A lándzsadísz esetében erre szerencsére nem volt szükség, így tényleg teljesen természetes állapotában figyelhették meg a szárazságstresszelt majd újralocsolt növény leveleit.
Fontos ugyanakkor kiemelni, hogy kellően sok elektronmikroszkópos mintát megvizsgálva hasonló következtetésekre juthatunk, mint a neutronok segítségével, és az elektronmikroszkóp esetében a gránumokon kívül rengeteg más fontos információt is kapunk a sejtek szerkezetéről. A két módszer tehát inkább kiegészíti és megerősíti egymást, és egyértelműen alátámasztja, hogy ebben az esetben a szárazság valóban a tilakoidmembránok (gránumok) zsugorodásával jár, az újranedvesedés pedig a tágulásukkal
– összegzi Solymosi Katalin.
Szárazságtűrő útikalauz
A munka során a világon egyedülálló módon alkalmazott szerkezetvizsgálat mellett a növények fotoszintetikus apparátusának molekuláris szerveződését és működését is részletesen vizsgálták.
Folyamatban vannak olyan további kutatások, melyek révén azt lehet majd jobban megérteni, hogy ez a növény milyen további szabályozási mechanizmusoknak köszönhetően képes 45 nap vízhiány alatt is gyakorlatilag változatlanul megőrizni a fotoszintetikus apparátusának szerkezetét és működését.
Ezeknek az alapvető szerkezeti és működési folyamatoknak a megértése hosszútávon hozzájárulhat a szárazsághoz jobban alkalmazkodó haszonnövények nemesítéséhez.
A fenti vizsgálatok a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal OTKA FK 124748 és OTKA PD 138540 pályázatainak, valamint a Kulturális és Innovációs Minisztérium ÚNKP-23-5 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készültek.
(Forrás: Biológiai Intézet)
