Mitől bírja a szárazságot a lándzsadísz?

Egyes növényfajok speciális stratégiákat fejlesztettek ki az aszályos időszakok átvészelésére, legtöbb gazdaságilag fontos haszonnövényünk azonban érzékenyen reagál a hosszú szárazságra, amit az elmúlt évtizedekben a klímaváltozás következtében egyre gyakrabban tapasztalhatunk. A vízhiány kihat a növények fotoszintézisre, ezáltal növekedésükre és terméshozamukra, szélsőséges esetben pedig a növények pusztulásához is vezethet. Csak az Európai Unióban és az Egyesült Királyságban átlagosan évi 9 milliárd euróra becsülik a szárazsággal összefüggésben keletkező (mező)gazdasági károkat, ezért különösen fontos azon növények vizsgálata, amelyek hosszabb szárazságok alatt is lépesek megőrizni fotoszintetikus aktivitásukat.

„A lándzsadísz (Ctenanthe setosa) dél-amerikai eredetű növény, melyet szobanövényként és zöldfalak vagy trópusi hatású épületekben találunk meg dísznövényként. Mi az ELTE Füvészkert 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, Richard Hembrom. Az ELTE-n Stipendium Hungaricum ösztöndíjjal tanuló indiai doktorandusz azt vizsgálta, hogyan hat a szárazságstressz a növényi színtestek szerkezetére és működésére, azon belül is elsősorban a bennük zajló fotoszintézisre.

Richard Hembrom doktorandusz a lándzsadísz levelének relatív klorofill tartalmát méri az ELTE Növényszervezettani Tanszékén

A kutatás kimutatta, hogy a növény levelei teljesen bepöndörödtek, hogy csökkentsék a párologtatás általi vízvesztést, de a levelek víztartalma így is fokozatosan csökkent, ugyanakkor a zöld színtestek működése és szerkezete alig változott a hosszú száraz időszak alatt. A levelek színén és fonákán 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.

Félig bepöndörödött levelű, szárazságstresszelt lándzsadísz növény, melyen jól látszik a levél lila színű fonáka

A színtestek szerkezetvizsgálata komoly kihívást jelent a szárazságstressz alatt, ugyanis az elektronmikroszkópos vizsgálatok előtt a legtöbb mintához vizes vagy egyéb oldószer fázisú oldatokat kell adagolni, így nem garantálható, hogy a szárazságstressznek kitett levélre jellemző állapotot meg lehet őrizni, valamint hogy a mintaelőkészítés során adagolt víz nem befolyásolja a kapott eredményeket vagy nem vezet műtermékekhez. A területen dolgozó kutatók többször számoltak már be arról, hogy a szárazságstressz alatt a színtestekben lévő tilakoidmembránok belső ürege megduzzad. A duzzadáshoz azonban feltehetően vízre van szükség, amiből ebben az állapotban pont kevés van a növényi sejtekben, ami ellentmondás.

Lándzsadísz levél keresztmetszete fénymikroszkópban (baloldali kép) és egy zöld színtestje transzmissziós elektronmikroszkópban (Vonal: 1 mikrométer, csillagok: gránumok, nyilak: plasztisz burkolómembránja)

Az ellentmondás feloldásához az ELTE növénybiológusai az anyagvizsgálatokban is alkalmazott kisszögű neutronszórás mérésekben jártas fizikusokat hívták segítségül. „A növény levelét a neutronok útjába helyezve a neutronok szóródnak a rácsszerűen ismétlődő szerkezetű fotoszintetikus tilakoidmembránokon (gránumokon), melyek több réteg, egymáson elhelyezkedő tilakoidból állnak. A szóródási mintázatból pontosan meg lehetett határozni a membránok szerkezetét jellemző rácsállandót, 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.

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 kisszögű 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 felvette a kontrollnövényekben is mért 20 nm körüli értéket – emeli ki a kutatás egyik legnagyobb újdonságáta méréseket végző Nagy Gergely, az amerikai Oak Ridge National Laboratory munkatársa. 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”.

A gránumok (csillag) szerkezete elektronmikroszkópban (baloldalt, zöld nyíl: burkolómembrán, fehér nyíl: sztróma tilakoid) és az ismétlődési távolságot demonstráló modellje (a gránum szabályos, rácsszerű szerkezete)

Ez az első alkalom, hogy a kutatók teljesen érintetlen, gyökeres és cserepes növény színtestjeinek szerkezetét kisszögű neutronszórással vizsgálták. „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 – jegyzi meg Solymosi Katalin, az ELTE Növényszervezettani Tanszék színtestekkel foglakozó kutatócsoportjának vezetője. 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.”

A munka során a növények fotoszintetikus apparátusának molekuláris szerveződését és működését is részletesen vizsgálták. Folyamatban vannak olyan további kutatások, melyek révén jobban megérthetjük, hogy ez a növény milyen további szabályozási mechanizmusoknak köszönhetően képes 45 nap vízhiány alatt is gyakorlatilag változatlanul megőrizni a fotoszintetikus apparátusának szerkezetét és működését. E folyamatok megértése hosszútávon hozzájárulhat a szárazsághoz jobban alkalmazkodó haszonnövények nemesítéséhez.

Forrás: ELTE Biológiai Intézet