Érzékeny túlélők a természetben

A növények, amelyeket gyakran nyugodt és zavartalan lényeknek tekintenek, amelyek lágyan ringatóznak a szélben, valójában nagyon távol állnak a passzív entitásoktól és rendkívül érzékeny élőlények, amelyek folyamatosan kölcsönhatásban vannak a környezetükkel. Az emberekhez hasonlóan a növények is lehetnek stresszhatás alatt, és nap mint nap számtalan kihívással kell szembenézniük a túlélésükhöz.

A növényeket érő stresszorokat két típusra oszthatjuk, az abiotikus és biotikus stresszre. Előbbi stressz olyan élettelen tényezőket jelent, amelyek hatással vannak a növényekre, mint például a szárazság, a szélsőséges hőmérséklet, a sótartalom vagy a légszennyezés. Utóbbi pedig olyan élő veszélyeket foglal magába, mint a kártevő rovarok, madarak vagy például emlősök, vagy éppen a mikroszkopikus méretű, kórokozók, betegségeket okozó gombák, baktériumok és vírusok. A stressz észlelésekor a növények biokémiai reakciók kaszkádját indítják el. Ezek közé tartoznak a stresszhormonok, a védekező fehérjék és a másodlagos metabolitok is. A növényi stresszhormonok akkor termelődnek, ha a növény veszélyben érzi magát, amikor a környezeti feltételek nem optimálisak. Ilyen stresszhormon például az abszcizinsav és a szalicilsav is. A szalicilsav központi szerepet játszik a szisztémás szerzett rezisztenciában (SAR), fokozva a növény azon képességét, hogy leküzdje a kórokozókat. A védelmi fehérjék a kórokozók támadására reagálva jönnek létre. Ezek a fehérjék lebonthatják a baktériumok és gombák sejtfalát, korlátozva terjedésüket.

A másodlagos metabolitok olyan vegyületek, mint az alkaloidok, flavonoidok és terpenoidok a növényevők és kórokozók ellen bevetett kémai védekezés. Például a dohánynövényekben lévő nikotin erős rovarölő szerként működik és a növény így képes magát megvédeni a rágókártevők ellen.

Hogyan észlelik a növények a stresszt?

A növények rendkívüli képességgel rendelkeznek arra vonatkozóan, hogy hogyan érzékeljék környezetüket a receptorok és jelzőmolekulák hálózatán keresztül. Ezek a receptorok érzékelik a fény, a hőmérséklet, a víz elérhetőségének változásait, valamint a kórokozók vagy kártevők jelenlétét is. A hőmérséklet szélsőséges változásait hősokkfehérjéken (HSP) keresztül érzékelik. A hősokk elnevezés arra utal, hogy e fehérjék menynyisége a sejtben hőkezelés és általában stresszhatás után megnő. Magas hőmérsékletnek kitéve ezek megakadályozzák más fehérjék denaturálódását, és molekuláris chaperonként, vagy más néven dajkafehérjeként működnek. A vízstressz esetében a gyökerek érzékelik a talaj nedvességtartalmát, és a szárazság hatására abszcizinsavat (ABA) termelnek, amely egy növényi hormon. Az ABA eljut a levelekhez, így a sztómák, vagyis a légcserenyílások bezáródnak és ezáltal csökkentik a vízveszteséget, mely növeli a növény túlélési esélyeit.

Riadólánc a növények között

A növények számos esetben nem elszigetelten szembesülnek a stresszel, ezért kifinomult kommunikációs hálózatokat fejlesztettek ki, hogy figyelmeztessék egymást a közelgő veszélyre. Számos növénynél, például a kukoricánál is létező jelenség az, hogy amikor egy kártevő belerág egy levélbe, a növény, amikor észlelte magán a fizikai sérülést, egyfajta kémiai anyagot, illékony szerves vegyületeket (VOC) kezd el termelni, amelyet a környezetében lévő növények észlelnek, és olyan kémiai anyagot termelnek, amelyet a kártevő nem kedvel. Ilyen például a jázmonsav, amely tulajdonképpen egy növényi hormon. Ha egy paradicsomnövényt hernyók támadnak meg, VOC-okat bocsát ki, amelyek jelzik a növény környezetében lévő paradicsomnövényeknek, hogy védekező vegyületeket, például proteázgátlókat termeljenek, amelyek csökkentik a növényi szövetek tápértékét a növényevők számára.

Ennél rafináltabb módszereik is vannak a pakliban. A bojtocska (Ageratum houstonianum), amely egy kedvelt egynyári növényfaj, oly módon védekezik a kártevők ellen, hogy amint a kártevő belerág a növénybe, olyan anyagot kezd termelni, amelyet, ha kellően nagy mennyiségben fogyaszt el a kártevő, sterillé válik – közvetve tehát a növény megakadályozza a saját, a környezetében élő növények károsodását is.

Hasznos szomszédság

A növények és a mikroorganizmusok kapcsolata egy igen rejtélyes kapcsolatrendszer, amelynek nagy részét a kutatók még nem tárták fel teljesen. Bizonyos baktériumtörzsek nem csak hogy csökkentik a növényi stresszt, szimbiózisban élve azzal, hanem még a fejlődésüket is nagy mértékben elősegítik. Ezek a növényi növekedést elősegítő baktériumok (PGPB) a talajban konzorciumot alkotnak, melyek kapcsolódását a gyökérváladék mennyisége és koncentrációja befolyásolja. A PGPB-k bizonyos törzseinek különleges talaj- és éghajlati viszonyok közötti használata hozzájárulhat ahhoz, hogy jobban megértsük, mely törzsek használhatnak adott növénycsoportoknál, mivel a törzsspecifitás döntő szerepet játszik a mikrobajelölt jellegzetes potenciáljának kiaknázásában, hogy toleranciát biztosítson és enyhítse az abiotikus stressz negatív hatását a növényekben. A PGPB-ket már 1980 óta tanulmányozzák, mint a műtrágyákat kiváltó és fenntartható alternatíva a terméshozam növelésére, hiszen fokozzák a tápanyagok felvételének hatékonyságát, valamint visszaszorítják a kórokozók fertőzését, vitaminok, fitohormonok és a növekedésszabályozók termelését is pozitívan befolyásolják, alkalmasak lehetnek a káros szerhasználat fokozatos kiváltására. PGPB-ként alkalmazottak például a következők: Paenibacillus, Azospirillum, Rhizobium, Bacillus, Azotobacter, Klebsiella, Pseudomonas és Serratia törzsek.

Stressz-ellenálló szupernövények

A kutatók egyre gyakrabban kulcsfontosságú géneket azonosítanak, amelyek rezisztenciát biztosítanak a különféle stresszorokkal szemben, és előkészítik az utat a stressztűrő növények fejlődéséhez. Ehhez gyakran a termesztett növények vadon élő rokonaikat vizsgálják, amelyek gyakran sokkal ellenállóbbak - szinte szupernövények – termesztett társaikhoz képest. A szárazság például napjainkban egy világméretű kihívás, vannak azonban növények, mint például az egyik legnagyobb mennyiségben termelt gabonanövény, a rizs, amely alapvetően vízigényes, de vadon élő rokonai között léteznek kifejezetten szárazságtűrő változatok is. Ezekben azonosították azokat a géneket, amelyek javítják a vízhasználat hatékonyságát és a gyökérszerkezetet. E gének bejuttatása a termesztett fajtákba pedig fokozza a szárazságtűrést. A szárazság mellett igen nagy veszélyt jelent a magas vagy épp az alacsony hőmérséklet is, amelyek a klímaváltozás és az urbanizáció számlájára írhatók, viszont a hőmérsékletre kevésbé érzékeny növények nemesítésével is hatalmasat lépett elő a növénynemesítés. A hősokk-fehérjéket (HSP) és a fagytűrő fehérjéket (AFP) kódoló géneket kutatók megtalálták az útját annak, hogy olyan növényeket hozzanak létre, amelyek ellenállnak a szélsőséges hőmérsékleteknek.

Az AFP-k megakadályozzák a jégkristályok képződését a sejtekben, megvédve a növényi szöveteket a fagykárosodástól.

A sóstressz léptéke kisebb, mégis növekedése főleg a városokban jelentős, de a természetben is előforduló jelenség. Az olyan gének megtalálása azonban, amelyek sziket tűrő növények esetében részt vesznek az iontranszportban és ionok megkötésében, kulcsfontosságú lehet. Ezzel például sok faj alkalmazhatóvá válik városokban is. Például az AtNHX1 gén túlzott expressziója a lúdfű (Arabidopsis thaliana) növényben fokozza sótoleranciát azáltal, hogy a felesleges nátriumionokat vakuólumokba osztja. A ricinus (Ricinus communis) egy világszerte ismert ipari növény, amelynek díszváltozatai is vannak, sőt, magyar fajtái is. Dísznövényként azonban kevésbé használják, mivel mérgező anyagokat (ricin, ricinin) tartalmaz, amelyek védelmet nyújtanak a kártevők ellen, viszont az emberre, állatokra is veszélyesek. Azonban géncsendesítéssel ezek a toxinokat termelő gének kikapcsolhatók.

Az élővilág lenyűgöző, s jó erre újra és újra rádöbbenni. Számos növény különleges, egyedülálló módon válaszol a stresszhatásokra. A Polypodium polypodioides egy páfrányfaj, amely vízhiányos időszakban nyugalmi állapotba kerül, és víztartalma akár 97%-át is elveszíti. Rehidratáció után órákon belül újjáéled, és visszaáll a normális élettani funkcióikba. A Carnegiea gigantea kaktuszfaj a sivatagi túlélés csodája. Ritka esőzések idején nagy mennyiségű vizet képes tárolni szivacsos szövetében, így képes hosszú ideig elviselni a szárazságot. Redős szerkezete lehetővé teszi, hogy szövetei kitáguljanak és összehúzódjanak, miközben felveszi és felhasználja a vizet. E mellett sekély, de kiterjedt gyökérrendszerrel rendelkezik, amely maximalizálja a vízfelvételt. A fagy ellen szintén érdekes megoldások léteznek a növényvilágban. A Salix arctica egy fűzfaféle, amely fagyálló fehérjéket termel, amelyek megakadályozzák a jégkristályok képződését a sejtjein belül, lehetővé téve számára, hogy fagyos hőmérsékleten túléljen. Ezek a fehérjék csökkentik a sejtnedvek fagyáspontját, megvédve a növényi szöveteket a fagykártól. A mai kor másik nagy gondja a nehézfémek felhalmozódása a talajban. Egyes növények viszont, az úgynevezett hiperakkumulátorok, fejlődni tudnak a nehézfémekkel szennyezett talajban is. Például az alpesi tarsóka (Thlaspi caerulescens) nagy mennyiségű cinket és kadmiumot halmozhat fel szöveteiben anélkül, hogy mérgező hatásokat szenvedne. Ezeket a növényeket kutatják a fitoremediációban rejlő potenciáljuk tekintetében - a növények felhasználásával a szennyezett talajok megtisztítására. A szél ellen is hatékony megoldások léteznek. Több párnát képező évelő, vagy épp törpecserje vagy mohafaj alacsony növekedésűek, kompakt formájuk pedig csökkenti a szél hatását és segít megtartani a hőt. Ezek a növények gyakran kölcsönös kapcsolatokat létesítenek a talaj mikrobáival, javítva a tápanyagfelvételt tápanyagszegény körülmények között. Ha már epifiták, akkor essen szó a húsevő növényekről is, amelyek az egzotikus növények kedvelői között hatalmas népszerűségnek örvendenek. Ezek a növények általában tápanyagszegény környezetben élnek. A Vénusz légycsapója (Dionaea muscipula) és a kancsókák (Nepenthes spp.) befogják a rovarokat, és zsákmányaikból olyan alapvető tápanyagokat nyernek ki, mint a nitrogén és a foszfor.

A növényi stresszkutatás jövője

Ahogy egyre növekvő környezeti kihívásokkal nézünk szembe, a növényi stressz megértése és a növények ellenálló képességének javítása felértékelődik. A kutatások továbbra is a növények és környezetük közötti összetett kölcsönhatások feltárására irányulnak, és olyan eredményeket nyújtanak, amelyek a mezőgazdaságban és a természetvédelemben az innovációt ösztönzik. A hagyományos tudás és a modern tudomány ötvözésével fenntartható gyakorlatokat alakíthatunk ki, amelyek mind a növényi, mind az emberi közösségeket támogatják, biztosítva a rugalmas és produktív jövőt. A növényi stressz tanulmányozása nemcsak e zöld harcosok adaptációs képességeit és találékonyságát tárja fel, hanem arra is ösztönöz bennünket, hogy értékeljük és védjük a bolygónkat fenntartó, bonyolult élethálót. Ahogy tanulunk a növények nehézségekkel való megbirkózási stratégiáiból, értékes leckéket kapunk a rugalmasság, az alkalmazkodás és a természeti világunk ápolásának fontosságáról. A kutatásba, az oktatásba és a fenntartható gyakorlatokba való befektetéssel elősegíthetjük a növények további virágzását, biztosítva kulcsszerepüket ökoszisztémánkban és túlélésünkben.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS


A kutatás a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal A körforgásos gazdaság megvalósíthatósága a honvédelmi tevékenységek során című, TKP2021NVA-22 azonosítószámú Tématerületi Kiválósági Program támogatásával valósult meg, a Körforgásos Gazdaság Elemző Központ (KGEK) vezetésével.

Forrás: Élet és Tudomány