Amit a gyökerek és a levelek mesélnek.

Több, mint egy évtizede vizsgálják az ELTE Biológiai Intézetének növénybiológusai és a Bolgár Tudományos Akadémia Növényélettani és Genetikai Intézetének munkatársai az Orfeusz-virág fagy- és kiszáradástűrését. Ez a különleges növény a Bulgária déli részeit határoló Rodope hegység szurdokvölgyeiben és sziklás területein élte túl a jégkorszakokat, részben egy különleges mechanizmus segítségével: sejtjei víztartalmának akár 90-95%-ának elvesztésével, majd e „tetszhalott” állapotból való újraéledéssel. Legutóbbi munkáikban a kutatók arra keresték a választ, hogy a gyökerek vajon milyen módon képesek megbirkózni a kiszáradással.

A tartós vízhiányos időszakok hátrányosan érintik a növények életfolyamatait és növekedését. Az aszály termesztett növényeinkre is erős hatással van, ezért jelentős gazdasági kárral jár. Ilyen szempontból kiemelten fontos megérteni az olyan különleges növények működését, amelyek képesek hosszabb száraz időszakokat is átvészelni, majd csapadék hatására „feléledni”, és tovább növekedni.

Bírják a megpróbáltatásokat

A zuzmók, mohák és egyes harasztok (például csipkeharasztok) körében gyakori túlélési stratégia ez az úgynevezett kiszáradástűrés, de a magasabb rendű növények körében viszonylag ritkán fordulnak elő ilyen, úgynevezett újraéledő növények. A zárvatermő növények többségének a magja az, ami képes kiszáradt állapotban biztosítani a túlélést kedvezőtlen körülmények között is, így nincs szükségük arra, hogy az egész növény, és annak vegetatív szervei (gyökere, szára, levelei) átvészeljék ezeket az időszakokat. Emiatt a gyökerekben és levelekben megjelenő kiszáradástűrés esetükben különlegességnek tekinthető.

A kevés zárvatermő, kiszáradástűrő növényfaj egyike a Rodope és a Balkán-hegységben a legutóbbi jégkorszak óta fennmaradt Orfeusz-virág (Haberlea rhodopensis). Ez az örökzöld, évelő növény e speciális élőhelyekhez, sziklás hegyoldalakhoz alkalmazkodott, itt jött létre és itt őshonos, tehát máshol a világon nem is lelhető fel.

A növényt már a trákok és a rómaiak is ismerték, és narkotikus, valamint többféle gyógyhatása miatt alkalmazták is. Jelenleg is aktívan kutatják gyógyászati és kozmetikai alkalmazási lehetőségeit, bár viszonylag kis egyedszámú, nehezen termeszthető és védett növényről van szó. Az egyik legenda szerint elnevezése arra vezethető vissza, hogy ezek a virágok Orfeusz könnyeinek helyén nőttek, miután rátalált a viperamarásba belehalt szerelmére, Eüridikére.

A növény ugyanakkor a „feltámadása” révén is kapcsolódik az alvilágból a szerelmét visszahozni próbáló Orfeuszhoz.

Leálló fotoszintézis

Az Orfeusz-virág képes mind szárazság, mind pedig fagy esetén a levelek sejtjeinek víztartalmát akár 90-95%-kal lecsökkenteni, és ebben a kiszáradt állapotban akár évekig is túlélni, majd vízhez jutva szinte azonnal visszanyerni aktivitását. A legnagyobb kihívást az jelenti, hogy kiszáradt állapotban is megőrzi a benne található zöld színtesteket, valamint bennük a fotoszintézist biztosító membránstruktúrákat, fehérjéket és színanyagokat.

Különböző stresszhatások során e fényt elnyelő struktúrák jelenléte általában nagy veszélyt jelent, mivel nem megfelelő működésük a sejtstruktúrát jelentősen károsító reaktív oxigéngyökök felhalmozódását okozhatja. Az Orfeusz-virágban ez viszont nem történik meg, mivel a károsító gyököket létrehozó fotoszintézis kiszáradt állapotban teljesen leáll, továbbá a kiszáradás során számos védőmechanizmus lép életbe.

A növény levelének kiszáradási folyamatát és a kiszáradással párhuzamosan megjelenő molekuláris védőfolyamatokat sokan vizsgálták már, de a fagytűréssel és a gyökerek kiszáradásával a szakirodalom kevéssé foglalkozott eddig. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatói (Sárvári Éva, Solti Ádám, Keresztes Áron és Solymosi Katalin) immár évtizedes múltra visszatekintő, sikeres együttműködést folytatnak a Katya Georgieva és Gergana Mihailova által vezetett bolgár kutatócsoporttal (Bolgár Tudományos Akadémia, Növényélettani és Genetikai Intézet). Ennek során számos részletét tárták fel a növény kiszáradási és helyreállási folyamatainak.

A növény leveleiben a vízhiány vagy fagy által kiváltott kiszáradás során is a sejtalkotók hasonló, jelentős átrendeződésen mennek keresztül: az egyetlen, nagyméretű központi vakuólum helyett sok másodlagos, kisméretű vakuólum jelenik meg, és ezzel együtt a sejtek szélén, a sejtfal mentén elhelyezkedő sejtszervecskék, köztük a zöld színtestek is a sejt belsejébe sodródnak.

A vakuólumokban különböző cukrok, a membránok belsejében antioxidáns vegyületek, a citoplazmában pedig védő fehérjék és enzimek halmozódnak fel. Ezek a kiszáradási folyamat során és kiszáradt állapotban is megvédik a belső membránrendszert és a sejtalkotókat. A cukrok képesek helyettesíteni száraz állapotban a vizet, és így lehetővé tenni a szerkezetek megőrzését, majd újjáéledését. A fotoszintézis, ami a különböző védő anyagok felhalmozódásához szükséges energiát biztosítja, csak a szinte maximális vízvesztés közelében áll le teljesen.

Helyreálló anyagcsere

További munkáikban a kutatók azt tanulmányozták, hogy a fagy, illetve szárazság által kiváltott kiszáradást követő újranedvesedés során milyen módon áll helyre a növény anyagcseréje.

Meglepő módon úgy tűnik, hogy a növény a fagy- és szárazságstresszel szemben is viszonylag hasonló módokon védekezik, és hasonló módon éled fel ezeket követően: a növény anyagcseréjének helyreállásával nagyjából párhuzamosan, igen rövid idő alatt a sejtek szerkezete is a kiszáradásnál megfigyelt folyamattal ellentétes módon visszarendeződik. E folyamatok energiaigényét a fotoszintézis újraindulásáig valószínűleg a felhalmozódott cukrok elégetése fedezi. A helyreállás során is szükséges védelemben pedig fontos szerepe lehet a fotoszintetikus reakciók közül először beinduló ciklikus elektrontranszportnak is.

A kutatócsoport július végén a Plants című folyóiratban megjelent cikkében először számolt be a növény gyökerének kiszáradását kísérő élettani, anyagcsere- és szerkezetváltozásokról.

Az Orfeusz-virág viszonylag fejlett rizómával, és fejletlen gyökerekkel rendelkezik. A gyökerek sejtjei a kiszáradás során hasonló szerkezetváltozásokon mennek keresztül, mint a levelek, és elsősorban az oxidatív stressz elleni antioxidánsokat és egyéb, a sejtek működését védő és stabilizáló fehérjéket termelnek. Feltehetően ezeknek köszönhetően képesek a gyökerek is átvészelni a kiszáradást, majd a gyakorlatilag teljesen száraz állapotot. Érdekes módon az újranedvesedést követő helyreállás során a levelek vízfelvétele fontosabbnak tűnik, mint a gyökereken keresztül történő vízfelvétel.

Noha az Orfeusz-virág feltámadási mechanizmusa közvetlenül nem átültethető az aszály által sújtott, a víztartalmuk csökkenésével szemben kevéssé védekezni tudó terménynövényeinkre, különleges anyagcseréjének és védőmechanizmusainak tanulságai hasznos információt szolgáltathatnak arra nézve, hogy milyen élettani folyamatokkal és anyagokkal lehet fokozni más fajok kiszáradással szembeni ellenálló képességét.

A fenti együttműködés a Magyar és Bolgár Tudományos Akadémiák közötti bilaterális kutatói mobilitás program, továbbá a Bolgár Nemzeti Tudományos Alap és a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH, OTKA FK-124748) pályázati támogatásainak köszönhetően valósulhatott meg. A vizsgálatok mindig újabb kérdéseket vetnek fel, így a közös munka a jövőben is folytatódik, újabb és újabb kutatói generációk bevonásával.

Forrás: Élet és Tudomány