Utrechti biológusok és nemzetközi kollégák két publikációban írják le azokat a folyamatokat, amelyeket a növények alkalmaznak a meleghez való alkalmazkodásra. A felfedezések betekintést nyújtanak abba, hogy a növények hogyan működnek optimálisan szuboptimális magas hőmérsékleten. Egyúttal ugródeszkát is jelenthet a növények növekedésének szabályozása és a globális felmelegedéssel szembeni ellenállóbbá tétele felé. A kutatók eredményeiket a The Plant Journal és a Nature Communications folyóiratban teszik közzé.
Jegesmedvék a sivatagban
Ennek ellenére sok növényfaj kifejlesztett módszereket a magasabb hőmérsékletekkel való megbirkózásra. „Eltérően az állatoktól, sok növény képes alkalmazkodni a testalkatához a melegre és más környezeti tényezőkre reagálva” – mondja Martijn van Zanten kutató, aki az Utrechti Egyetem munkatársa, és mindkét publikációban közreműködött. „Az állatok egészen más történet. Egyszerűen fogalmazva, ha elhelyez egy jegesmedvét a sivatagban, akkor is úgy fog kinézni, mint egy vastag bundájú jegesmedve. De ha egy növény melegebb körülmények között nő, akkor ennek megfelelően alakítja a test alakját. Ily módon az üzem igyekszik optimálisan működni ezekben a kedvezőtlenebb körülmények között is.”
A kompakttól a nyílt növényi formáig
Sok növényfaj képes alkalmazkodni szárának és levelének alakjához, hogy ellenállóbbá tegye őket a magas hőmérsékletekkel szemben. Ez igaz a zsázsára (Arabidopsis thaliana) is, amelyet sok növénybiológus kedvenc növénymodelljének tart. Hideg körülmények között ezek a növények tömörek, és leveleik közel vannak a talajhoz. Amikor a hőmérséklet emelkedik, nyitottabb testtartást vesznek fel. A levelek például egyenesebbé válnak. Ez nagymértékben csökkenti a közvetlen napsugárzást. Ezenkívül a levélszárak megnyúlnak, így több szél engedi át a leveleket, és elvezeti a hőt.
Kívánt és nem kívánt nyújtás
A veteményesekben és a (vágott) virágokban azonban ez a fajta nyújtás gyakran nemkívánatos. A termelők ellenőrizni szeretnék ezeket a változásokat, mivel a nyújtás ronthatja a termék minőségét. „Ugyanakkor alkalmazkodásra van szükség ahhoz, hogy a növények ellenállóbbá váljanak az éghajlatváltozás következtében fellépő magasabb hőmérsékletekkel szemben. Erre a termelés hosszú távú fenntartásához van szükség” – mondja Van Zanten.
A növények klímatoleránsabbá tétele
„Sok termesztett növény elvesztette azt a képességét, hogy jól reagáljon a magasabb hőmérsékletekre” – mondja Van Zanten. „Különböző haszonnövényeknél eltűnt a háziasítási és nemesítési folyamat során, mivel a tenyésztők elsősorban más tulajdonságokra összpontosítottak.”
Van Zanten szerint az éghajlatváltozás hatására egyre nagyobb szükség van a növények klímatoleránsabbá tételére. „Ehhez ismerni kell, hogy a növények hogyan viselik el a magasabb hőmérsékletet. Hogyan alakítják át a kapott hőmérsékleti jeleket növekedési adaptációkká? Azoknak a molekuláris mechanizmusoknak a kutatása, amelyek révén a növények alkalmazkodnak a szuboptimális hőmérséklethez, olyan eszközöket tesz lehetővé, amelyek a nemesítésen keresztül módosítják a termények szerkezetét.
A molekuláris mechanizmus bekapcsolja a hőtartást
A magasabb hőmérséklethez már nem alkalmazkodó Thale zsázsanövények bizonyos vegyszerek hatására visszanyerhetik ezt a képességet. Ezt egy Van Zanten vezette nemzetközi kutatócsoport fedezte fel. A csapat számos anyagot tesztelt egy zsázsa-mutánson, amely már nem alkalmazkodik a magas hőmérséklethez. Találtak egy molekulát, amely képes „bekapcsolni” a fiatal növényekben a magas hőmérséklethez való alkalmazkodást, még alacsony hőmérsékleten is.
A kutatók ezt a vegyületet „Heatinnek” nevezik. A molekula kémiai módosításával, majd annak tanulmányozásával, hogy mely fehérjék képesek kötődni a melegítéshez, egy fehérjecsoportot találtak, amelyet nitriláznak neveznek. Az azonosított alcsoport ismert, hogy csak a káposztafélékben és a rokon fajokban fordul elő, beleértve a zsázsát is.
Egy növénynemesítő céggel közösen a biológusok felfedezték, hogy a káposztafajták valóban reagálnak a melegítésre. Azt is felfedezték, hogy a nitrilázokra szükség van a magas hőmérséklethez való alkalmazkodáshoz, valószínűleg azért, mert lehetővé teszik a jól ismert növekedési hormon, auxin termelését. A kutatók ezt a felfedezést a The Plant Journalban publikálták.
Új út a magas hőmérséklethez való alkalmazkodáshoz
A Heatin eredményeinek közzététele egybeesik egy másik publikációval, ma a Nature Communications-ben. A kutatást a belgiumi VIB intézet tudósai vezették, amelyben Van Zanten is részt vett. A csapat felfedezett egy korábban nem leírt fehérjét, amely szabályozza a növények melegebb környezethez való alkalmazkodását. A fehérjét MAP4K4/TOT3-nak nevezték el, a TOT jelentése: célhőmérséklet.
Figyelemre méltó, hogy a TOT3 által vezérelt folyamat nagymértékben független az összes többi jelátviteli útvonaltól, amelyet a biológusok eddig a növények meleghez való alkalmazkodásához kapcsoltak. Ráadásul úgy tűnik, hogy a TOT3 adaptációi nem függenek a növényt megvilágító fény mennyiségétől és összetételétől.
Van Zanten: „Sok átfedés van a molekuláris mechanizmusokban, amelyek révén a növények alkalmazkodnak a növekedéshez a változó fényösszetételhez és a magas hőmérséklethez. A TOT3-mal most kéznél van egy olyan tényező, amellyel szabályozhatjuk a növekedést magas hőmérsékleten anélkül, hogy megzavarnánk a növény fénykezelését.”
Széles körű alkalmazások
„Az teszi még érdekesebbé – mondja Van Zanten –, hogy a TOT3 hasonló szerepet játszik a magas hőmérsékletű növekedéshez való alkalmazkodásban mind a zsázsában, mind a búzában. Ez a két faj genetikailag meglehetősen elkülönül egymástól. Tehát ez nagy lehetőségeket kínál széles körű alkalmazásokhoz.”
A növekedésgátlók alternatívája
Végső soron a TOT3 felfedezése és a nitrilázok szerepe hozzájárulhat ahhoz, hogy továbbra is elegendő növényt termeljünk, még akkor is, ha az éghajlatváltozás miatt emelkedik a hőmérséklet. A felfedezések lehetőséget kínálnak a növények növekedésének gátlására manapság gyakran használt vegyszerek alternatívák kifejlesztésére is. Van Zanten példaként a vágott virágokat említi, amelyek nagyon erősen reagálnak a hőmérséklet-ingadozásokra. A virágkertészetben ezért számos növekedésgátlót használnak, hogy a növények szépek és tömörek maradjanak.
„Például abban a pillanatban, amikor tulipánt vásárol, még mindig szép rövid száruk van” – mondja Van Zanten. „De miután néhány napot töltött az otthonában, elkezdenek lógni a váza szélén. A magasabb beltéri hőmérséklet hatására a növények megnyúlnak, és végül elernyednek és meghajlanak. Reméljük, hogy az új ismeretek hozzájárulnak a magas hőmérsékleten kevésbé nyúló új virágfajták kiválasztásához. Ily módon csökkenthetjük a káros növekedésgátlók használatát.”
További információért:
Utrecht Egyetem
www.uu.nl