Stresszalapú szelekciós kutatások a Pannon Breeding projekt keretében

Írta: MezőHír-2020/11. lapszám cikke - 2020 november 29.

A növényeket a természetben és a mezőgazdasági területeken számos kedvező és kedvezőtlen környezeti hatás éri. Az utóbbiak rendszerint csökkentik a növekedést, az életműködéseket és végül a terméshozamot.

Szélsőséges esetben a növények el is pusztulhatnak. Gondoljunk csak a nyári aszályra, a tavaszi fagyokra vagy a gombabetegségekre, melyek egyre szélsőségesebben jelenhetnek meg az emberi tevékenység által felgyorsulva változó környezetben. Ezek a környezeti hatások tehát hétköznapiak, de egyúttal szakkifejezéssel élve is stresszt okoznak, ami definíció szerint egy élettani állapot, amelyben a növények növekedése, fejlődése és szaporodása a fokozott környezeti terhelés miatt a genomban (örökítőanyagban) meghatározott lehetőségek alatt marad. Vannak tágtűrésű egyedek és vannak olyanok, amelyek kisebb mértékben tudnak alkalmazkodni a stresszhez. Ez utóbbiak hamarabb elpusztulnak, mint a tágtűrésű társaik. Valójában ez a természetes szelekció alapja is. Egy adott területen a növények populációi generációkon keresztül alkalmazkodnak, adaptálódnak az általában uralkodó környezeti terheléshez és így ellenállóbb génkombinációval rendelkező állományok jönnek létre. A Pannon Breeding című, a Pannon régió növényeinek genetikai hasznosítását megcélzó kutatási projektben többek között arra vállalkoztunk, hogy modellezve és felgyorsítva ezt a folyamatot, a hazai flóra növényfajait és kertészeti kultúrváltozatait mesterséges körülmények között teszteljük. Ezek olyan gazdasági növények, melyek díszkertészeti, gyógyászati hatóanyag-tartalom, mezőgazdasági vagy ökológiai célból fontosak. Megvizsgáljuk, hogy különböző stresszhatások során mennyire ellenállók a begyűjtött és szaporított egyedek laboratóriumi, üvegházi és tenyészkerti körülmények között, majd a célterületen is. Eddig már megvizsgáltuk a szárazság, a magas sókoncentráció és részben az alacsony hőmérséklet hatását is. Számba vesszük a túlélő egyedek számát, a növekedés sajátságait, a levelek méretét, a növények tömegét, és számos élettani paramétert mérünk.

 

Növekvő szintű öntözés hatása fóliasátorban nevelt silókukoricahibrid-vonalakra. Fotó: Dr. Fodor Ferenc
Növekvő szintű öntözés hatása fóliasátorban nevelt silókukoricahibrid-vonalakra. Fotó: Dr. Fodor Ferenc

 

Ezek között említhetjük a levelek klorofilltartalmát, a párologtatás (transzspiráció), valamint a fotoszintetikus szén-dioxid-megkötés intenzitását. Mérések segítségével jellemezzük a fotoszintetikus elektrontranszport lánc működési állapotát a klorofillpigmentek fluoreszcencia indukciója segítségével. Meghatározzuk a hajtások vízszállító edényeiben fennálló nyomást („szívóerőt”), ami a vízfelvételi kapacitást jellemzi. Megbecsüljük továbbá a gyökerekben a mikorrhizakolonizáció intenzitását. Végül mérjük olyan enzimek aktivitását, amelyek a különböző környezeti stresszek alatt képződő reaktív oxigénformák, pl. szabadgyökök (oxidatív stressz) hatástalanításában vesznek részt.

 

A több évtizedes munkával nemesített hazai változatok és alanyaik

Az egyik kutatási irány a Pannon régió fáinak, cserjéinek sorfa vagy városi zöldfelület alkalmazhatósági vizsgálatára fókuszál. Kőrisek, hársak, szilek, galagonyák helyi változatainak, vagyis ökotípusainak szárazság-, illetve sóstresszel szembeni ellenálló képességét vizsgáljuk. Előbbi esetben rendszeresen öntözött növényeket vetünk össze a ritkán öntözöttekkel, míg a sóstressz hatását nátrium-karbonátos öntözéssel vizsgáltuk, összevetve a nem kezelt egyedekkel. Az alacsonyabb tűrőképességű változatok leveleiket hamarabb elhullajtják, az élettani mérésekben rendre alulmaradnak az ellenálló változatokkal szemben. Fotoszintetikus aktivitásuk alacsonyabb, ami a fotoszintetikus apparátust felépítő II. fotokémiai rendszer aktivitásának csökkenésében is kimérhető. Eddigi adataink szerint a magyar kőris (Fraxinus angustifolia) és a galagonyafélék (Crataegu ssp.) ellenállóbbak a sóstresszel szemben, mint a rokon kőristaxonok. Külön érdekes csoport a rózsáké (Rosa ssp.). A több évtizedes munkával nemesített hazai változatok és alanyaik külön és együttes stressztűrését is vizsgáljuk, és összehasonlítjuk külföldön alkalmazott fajtákkal.

 

Sóstresszkísérlet óriás olasznáddal a szenttamási tudásközpont területén. Fotó: Dr. Parádi István
Sóstresszkísérlet óriás olasznáddal a szenttamási tudásközpont területén. Fotó: Dr. Parádi István

Mikorrhiza inokulációs kísérlethez szaporított nagylevelű hárs (Tilia platyphyllos) állománya. Fotó: Dr. Fodor Ferenc
Mikorrhiza inokulációs kísérlethez szaporított nagylevelű hárs (Tilia platyphyllos) állománya. Fotó: Dr. Fodor Ferenc

 

Kutatásaink egyik legígéretesebb energetikai célból termesztett növénye az óriás olasznád (Arundo donax). A perjefélék családjának (Poaceae) tagja, a legnagyobb európai pázsitfűféle. Európában a Földközi-tenger mellékén elterjedt, ahova nagy valószínűséggel az újkőkorszak és ókor határán, az emberi kereskedelemmel jutott el a Közép-Kelet (Indus-völgye, mai Irán térsége) területéről. Ez utóbbira bizonyíték, hogy a Földközi-tengertől Közép-Ázsiáig csak egyetlen haplotípus található meg. Magas stresszellenállósággal rendelkezik, ami pl. szárazság, árasztás, nehézfémek, egyéb lágyszárú kompetitorok, valamint különösen a magas sótartalom ellen bizonyított. A sóstressz az egyik legfontosabb stresszfaktor, ami nagymértékben csökkenti a növény növekedését, és korlátozza a terméshozamot. Ezért fontos a sótűrés vizsgálata, a stressztoleráns fajok, fajták szelektálása, valamint a sóstresszel szembeni rezisztencia fokozása. A sóstresszre adott válasz összetett folyamat, különböző morfológiai és élettani változásokkal jár, általában ozmotikus, ionikus és oxidatív stresszt generál. Az olasznád „mérsékelten halotoleráns”, sótoleranciája magasabb, mint a kukoricáé, a rizsé, a Miscanthus-é vagy akár a fűzé, nyáré. Magas stresszellenállósága miatt az Arundo kifejezetten alkalmas alacsony termőképességű, pl. sóterhelt, mediterrán marginális területeken történő gazdálkodásra, és éppen ezért merült fel vele kapcsolatban a szikes területek hasznosításának lehetősége is. Az olasznáddal foglalkozó irodalomban komoly hangsúlyt kap emellett a mikorrhizakapcsolat, valamint a mikorrhiza stresszrezisztenciát növelő hatása is, egyes szerzők vizsgálatai szerint ugyanis a talajok magas nátrium- és alacsony foszfortartalma esetén a mikorrhizaszimbiózis védelmet jelenthet.

Vizsgálatainkban ezért célul tűztük ki, hogy szelektáljunk az Arundo ökotípusai között, azaz kiválasszuk azokat a klónokat, amelyek a sóstresszt jobban tolerálják, és magasabb sótartalom mellett is magasabb biomasszahozamot produkálnak NaCl- és Na2CO3 (szóda – a szikes területek modellezésére) kezelés mellett is. Másrészt vizsgáltuk a különböző mikorrhizakezelések (kereskedelmi inokulum és szikes talajkivonat) hatékonyságát a szikstressz esetén. A növekedési paraméterek eddigi vizsgálata alapján az olasznád érzékenyebb a szódakezelésre, mint a NaCl-ra, ami feltehetően a talajbeli pH-viszonyokkal áll összefüggésben. Különbséget találtunk ugyanakkor az ökotípusok között, azaz várhatóan lehetséges a sóstresszre vonatkozó szelekció. A mikorrhizakezelés az első eredmények alapján pozitív hatással volt a szikes talajokon nevelt növények fejlődésére, különösen a szikes (szikes területhez alkalmazkodott, őshonos gombafajokat tartalmazó) talajjal való oltás esetén.

 

 Szelekciós kísérletekhez szaporított rózsák. Fotó: Dr. Fodor Ferenc
Szelekciós kísérletekhez szaporított rózsák. Fotó: Dr. Fodor Ferenc

 

Az egyik alprogram keretében silókukorica-hibridvonalakat teszteltünk vízmegvonásos szárazságstressz kísérletben tenyészedényekben, fóliasátorban, illetve szabadföldön nevelt állományok emelkedő tápanyagszintre adott válaszreakcióját, növekedési erélyét vizsgáltuk. Ebben a kutatásban a növények asszimilációját és fotoszintetikus elektrontranszport aktivitását vizsgáltuk, mint a szárazságstresszre érzékeny élettani mérőszámokat. Eredményeink alapján, e szelekcióra alkalmas élettani paraméterek segítségével a szárazságnak leginkább ellenálló silókukorica-vonalakat szelektálni tudtuk.

Mindezek a Pannon génbank kincseit feltáró kutatások megalapozzák a kiszelektált növények szaporítását és exportját, új kereskedelmi távlatokat nyitva, egyúttal a globális klímaváltozás kihívásaira is válaszolva ezzel.

 

SZERZŐ: DR. FODOR FERENC TANSZÉKVEZETŐ EGYETEMI DOCENS, ELTE NÖVÉNYÉLETTANI ÉS MOLEKULÁRIS NÖVÉNYBIOLÓGIAI TANSZÉK, DR. PARÁDI ISTVÁN EGYETEMI ADJUNKTUS, ELTE NÖVÉNYÉLETTANI ÉS MOLEKULÁRIS NÖVÉNYBIOLÓGIAI TANSZÉK, PAPP LÁSZLÓ BOTANIKUS, ELTE FÜVÉSZKERT