Hogyan tudnak sikerrel alkalmazkodni a növények a klímaváltozáshoz? Olyan kérdés ez, mely alapjaiban határozza meg az emberiség túlélését. A PTE Természettudományi Kar Növénybiológiai Tanszékén ennek megértését és alkalmazási lehetőségeit is kutatják. Czégény Gyulát, a PTE TTK adjunktusát kérdeztük.
Miről szól pontosabban ez a kutatás?
A kutatócsoportunk fotobiológiával foglalkozik, vagyis a fény növények számára előnyös és káros hatásait vizsgáljuk, ezen belül is leginkább az ultraibolya sugárzás hatásaira fókuszálunk. Arra keressük a válaszokat, hogy a napfény hogyan befolyásolja a növények életét: mire használják, hogyan hasznosítják, és hogyan előzik meg az esetleges károsításokat. Általános növényi válaszokat keresünk, melyek minden egyes növényre igazak lehetnek, ezért ún. modellnövényekkel dolgozunk, ami lehet szőlő, paprika, dohány, vagy lúdfű. Ezeket a növényeket tesszük ki mindenféle környezeti megpróbáltatásnak. A növények extrém módon ki vannak téve a fény hatásainak: nem tudnak pl. árnyékba vonulni, meg kell birkózniuk környezeti körülményekkel. Ezek a környezeti körülmények lehetnek előnyösek és hátrányosak is a növények számára.
A kutatócsoportban azt modellezzük, hogyan tudnak a növények az UV-sugárzáshoz alkalmazkodni, mi az a dózis, ami már károsítja őket, milyen mechanizmusokon keresztül károsodnak az UV miatt, illetve az UV-sugárzásnak milyen előnyös hatásai vannak a növényekre nézve.
Honnan ered a kutatás iránya, miért fontos az, hogy az UV-fény hogyan hat a növényekre?
A klímaváltozás az UV szempontjából közvetett, de fontos tényező. A '90-es években komoly problémának tűnt, hogy az UV-sugárzás az ózonréteg elvékonyodásával egyenesen arányosan egyre növekvő dózisban lesz jelen a Föld felszínén. Joggal merült fel a kérdés, hogy ez hogyan hathat az élővilágra? Vajon mind bele fogunk-e pusztulni, vagy tudunk-e valamilyen megoldást találni? Szerencsénkre az ún. CFC-k (chlorofluorocarbon) használatát betiltó montreali jegyzőkönyv, amit 1989-ben írtak alá, pozitív hatással volt az ózonrétegre, mely azóta javuló tendenciát mutat, elkezdett vastagodni. A tudomány a kétezres évek óta foglalkozik komolyabban az ultraibolya sugárzás növényekre gyakorolt hatásával. Akkoriban kezdték leírni azokat a ma már alapvetőnek számító ismereteket is, amelyekre a mai kutatások épülnek. Az egyik ilyen – részben szegedi kollégáknak köszönhető – ismeret az, hogy a növények képesek érzékelni az UV-B sugárzást.
Számos állatfaj (rovarok, madarak, egyes emlősök) képes az UV-A fény érzékelésére, de UV-B receptora csak a növényeknek és egyes egyéb fotoszintetizáló élőlényeknek van.
Ez egy igen speciális képesség, amit 10-15 éve fedeztek fel, így talán még nem annyira közismert tény. Ez a felismerés csak tovább fokozta az érdeklődést az UV növényekre gyakorolt hatásával kapcsolatban.
Amire mi a kutatásaink során fókuszálunk, az mindennek az alfája és az omegája a növények szempontjából: a fotoszintézis. A fotoszintézist nagyon sok módon, nagyon széles spektrumon tudjuk jellemezni, ez egy relatíve hosszú folyamat. A növények a Napból fény formájában érkező energiát begyűjtik, és kémiai energiává alakítják, gyakorlatilag cukrokat gyártanak maguknak. A folyamat mellékterméke a számunkra nem elhanyagolható oxigén felszabadulása. A növények fotoszintetikus képessége nagyon jó indikátora annak, hogy mennyire érzik jól magukat. Hogyha ezt az UV sugárzás, vagy bármilyen egyéb környezeti faktor, hőmérséklet, csapadékmennyiség, szél vagy akár élő faktorok (kártevők, vagy bármilyen más élőlény, ami megrágcsálja a leveleket) megzavarja, az mind csökkent fotoszintézis válaszokban köszön vissza. Hogyha jól van, el lehet kezdeni gondolkodni arról, mi állhat amögött, hogy az adott környezeti kihívásoknak meg tudott felelni, milyen anyagokat halmozott fel, milyen enzimreakciókkal oldja meg, hogy például egy rettentő erős nyári napfényhez szuperül tud alkalmazkodni. Például
egy szőlőnövény tökéletesen van a tűző napon is akár öntözés nélkül. De hogy csinálja? Erre keresünk válaszokat.
Úgy sejtem, a klímaváltozás más fordulatokat is tartogat a növények kapcsán…
Említettem, hogy jó irányba halad a világ az ózonréteg megóvása kapcsán, de vannak más problémák is, például a globális felmelegedésért és az üvegházhatás fokozódásáért felelős széndioxid-kibocsátás csökkentésének szükségessége, amit az ún. párizsi egyezményben próbálnak rendezni. Ez közvetetten az UV-sugárzásra is hat, hiszen nem mindegy például, hogy milyenek az egyéb környezeti viszonyok. Ha a klímaváltozás következtében megváltoznak a légköri dinamikák (pl. megváltozik vagy eltűnik a felhőzet), az élőhelyek UV-kitettsége is megváltozik. Az UV-sugárzás növényekre gyakorolt hatása eltérő lehet különböző környezeti megpróbáltatások során, pl. az egyre gyakoribb extrém időjárási események során az UV károsító hatása is fokozódhat. De az enyhébb téli időjárás kedvez a kártevők elszaporodásának is, ami szintén eddig nem látott problémák elé állíthatja a növényeket.
Hogyan kell elképzelni magát a kutatást?
Alapvetően két kísérleti rendszert futtatunk. Az egyik típus zárt térben zajlik, ahol kontrollált körülmények között tesszük ki különböző extremitásoknak a vizsgált növényeket. Az ilyen laboratóriumi kísérleteink során gyakorlatilag minden tényezőt kontrollálni tudunk, így lehetőségünk van egy adott fényhez köthető hatásmechanizmus jellemzésére. Természetes fényviszonyok alatt, a szabadban is végzünk kísérleteket, ilyenkor nyilván kevésbé tudjuk befolyásolni a környezeti viszonyokat (mennyire van meleg, milyen erős a szél, járnak-e arra meztelen csigák, amik megeszik a leveleket stb...). Ez a kísérleti rendszerünk a PTE Szőlészeti és Borászati Kutatóintézet területén van, évek óta kiváló a két intézet kapcsolata. Itt különféle szűrőket használva tudjuk manipulálni a növényeket érő sugárzás mennyiségét és minőségét. Ily módon fel lehet térképezni, hogy mi hiányzik azokból a növényekből, amiktől elvettünk valamiféle napfény-komponenst, azokhoz képest, amiket a teljes napfény ért, ergo mihez szükséges 1-1 komponens.
Annak ellenére, hogy alapkutatással foglalkozunk, az eredményeinknek jelentős mezőgazdasági haszna is lehet a jövőben.
Ha jól értem, fel lehet a növényeket készíteni a klímaváltozásra?
Vannak ezzel kapcsolatos kísérleteink is. A klímaváltozás miatt kiszámíthatatlanok az extrém időjárási események - például áprilisban esik a hó vagy fagypont körüli a hőmérséklet éjjel -, amikhez a növények korábbi generációi nem voltak hozzászokva. Ha a növényeket váratlanul alacsony hőmérséklet éri, nem feltétlenül pusztulnak bele, de az biztos, hogy megakad a fejlődésük. Az egyik kísérletünkben paprikapalántákkal azt próbáltuk modellezni, mi történik ebben az időszakban a növényekkel. Mi történik akkor, ha a palántákat megvilágítjuk alacsony dózisú UV-B-vel mielőtt hidegbe kerülnek? Azt tapasztaltuk, hogy az UV-val előkezelt palánták jobban tolerálták a hideget, mint azok, amiket előzetesen nem kezeltünk. Ezt a technikát pl. fóliasátrakban is lehetne alkalmazni: A fólián átjutó látható fény mellé berakhatunk egy kis ultraibolyát, ami több, a növények szempontjából hasznos folyamatot szabályoz, elindít. Például a gyümölcsöket pirossá tevő antocianinok is ilyen típusú vegyületek, amik nemcsak az ízhatásért és a színért felelősek, de a növény szempontjából több stresszhatás kivédésére is szolgálnak.
Vagyis egyszer meg lehet majd mondani, hogy egy adott növényt mikor milyen fénnyel világítva lehet ellenállóbbá tenni?
Igen, ilyesmire törekszünk, de nem is a pontos „receptet” akarjuk leírni, hanem magukat a mechanizmusokat feltárni, hogy megértsük, leírjuk, hogy mik történnek ilyenkor a növényekben. Az alkalmazott kutatást végző, akár kifejezetten mondjuk a paprikára fókuszáló kutatócsoportok ezekre az információkra alapozva alakíthatják majd ki a végső protokollt, és segíthetik ezzel a mezőgazdasági termelőket. A növények a környezeti kihívásokkal szemben antioxidánsokkal védekeznek, amik ezerféle molekulák lehetnek, egyebek között C-vitamin, E-vitamin és a B-vitamin különböző verziói is ilyenek. Ezek ugye az emberi táplálkozásnak is fontos elemei, mert ezeket az anyagokat az emberi szervezet nem képes előállítani, ezért is fogyasztunk növényeket.
Amikor azt kutatjuk, hogyan sikerült alkalmazkodnia a növénynek a környezeti kihívásokhoz, akkor többek között azt nézzük meg, hogyan épül fel az antioxidáns-profiljuk. Ebből tudunk következtetni arra, hogy a sejten vagy a növényen belül a melyik rész volt kitéve a károsodás veszélyének. A másik fontos vizsgálati célpont a már említett fotoszintézis. A fotoszintézis központi eleme a klorofill molekula, hiszen ez felel a fény begyűjtéséért. A klorofill, ha egy bizonyos tulajdonságú fénnyel megvilágítjuk, képes fluoreszkálni, ami egy olyan tulajdonság, amit műszerekkel is meg lehet vizsgálni. Ilyenkor vörös fényt bocsát ki magából, ez pedig információt biztosít a fotoszintézis különböző folyamatairól. Tulajdonképpen a növények kint is világítanak, csak szabadszemmel nem érzékeljük. A klorofill fluoreszcenciát vizsgáló technika azért érdekes, mert gyakorlatilag a fény révén kommunikálunk, kérdezzük a növényeket. Bizonyos időközönként különböző típusú fénnyel világítjuk a vizsgált növényeket, a válaszaikat pedig akár színkódolt fotókból olvashatjuk ki, ebből következtetünk arra, mennyire érzik jól vagy rosszul magukat.
Stressz kimutatása lúdfű növényen klorofill fluoreszcencia segítségével. Mind a négy kép ugyanarról a növényről készült, ám eltérő időben és módon:
A: Kezelés előtt készült fénykép, a növény kontroll állapotban, nem érte stressz.
B: Kezelés előtti kép a fotoszintetikus hatásfokról a fluoreszcencia paraméterek alapján kiszámítva. A mesterséges színezés kódolása a kép alján látható: a kékes-lilás szín egészséges fotoszintézist jelez, a zöldes közepeset, a piros pedig nagyon gyengét. A képen a növény kékes kódolást kapott, tehát remekül van.
C: Fénykép a 3 órás UV-B megvilágítás után. Ez alapján nem látszik, hogy a lúdfű rosszul lenne.
D: Színkódolt fluoreszcencia kép. Zöldes színű a növény nagy része, azaz a fotoszintézis hatásfoka jelentősen romlott a kezelés során.
Az ábra azt mutatja meg, hogy míg szabad szemmel (= fotón) nem igazán látható különbség a kezelés előtti és utáni állapotban, addig a növény fluoreszcencia paramétereiben bekövetkezett változások már jelzik a stressz megjelenését.
Több különböző alapnövénnyel dolgoztok. Minden növény ugyanúgy reagál, vagy lehetnek különbségek közöttük?
Vannak különbségek, nemcsak a fajok között, hanem azokon belül is. Például a lúdfűből, amivel dolgozunk, sokféle variáns létezik, más típus él Szibériában, más a Brit-szigeteken. Ezeket ökotípusoknak nevezzük. Ha összehasonlítjuk őket, más-más antioxidáns profilt mutatnak: az egyik kicsivel kevésbé tűri jól az UV-sugárzást, a másik jobban. De teszteljük például azt is, hogy van-e különbség a növények között, ha az előző generációk különböző körülmények között fejlődtek (pl. a kamráinkban, kontrollált körülmények között vagy szabadföldbe ültetve).
Vajon van-e előnye annak a növénynek, melynek előző generációja ki volt téve bizonyos megpróbáltatásoknak?
Még nem tudunk erre részletesen válaszolni, de már most látunk érdekességeket.
Magyarán az a jó a növénynek, ha egyfajta „edzőtermet” készítünk nekik?
Így van, és a mezőgazdaságban is használatos ez a módszer, például a kukoricát vagy búzát szokták edzetni. A kicsírázott növényeket egy rövid ideig mesterségesen pl. hidegben tartják, kicsit felerősítve őket ezzel, felkészítve a későbbi kihívásokra. Ilyen céllal UV-t még kevesebben használnak, ez újabb, nehezebben megvalósítható technológia. Drágább is, de elképzelhető, hogy amilyen növényfajra a hideg edzés nem jó, arra az UV-s technológia megfelelő lehet. A dísznövény-ipar is igyekszik élni ezzel az eszközzel: például rózsákat naponta néhány alkalommal UV-C-fénycsövekkel világítanak meg, enyhén, nem megégetve a növényeket. Az UV hatására kisebb, tömörebb, vastagabb, fényesebb levelek alakulnak ki, amik egyben eladhatóbbá teszik a terméket. Hasonló kezelést alkalmaznak pl. szőlősorokban is: traktorokra erősített UV-B fénycsövekkel világítják a növényeket, aminek hatására a fürtökben fontos ízanyagok, színanyagok halmozódnak fel. Ezekkel a környezeti hatásokkal kvázi munkára sarkallják a növényeket. Ha minden kihívástól mentes környezetben tartjuk a növényt, bizony könnyen elkényelmesedhet.
Milyen a kutatásotok nemzetközi és hazai beágyazottsága?
Hazai fronton például az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó Agrártudományi Kutatóközpont és a Szegedi Biológiai Kutatóközpont munkatársaival ápolunk nagyon jó viszonyt. Emellett erős nemzetközi kapcsolataink is vannak: a UV4Plants nevű nemzetközi társaság tagjai hasonló témában kutatnak, mint mi. Remek közösség, nem konkurálunk, inkább kiegészítjük egymás munkáját. A társaságon keresztül folyamatosan együttműködünk svéd, ír, vagy német kutatócsoportokkal is.
