Stresszalapú szelekciós kutatások a Pannon Breeding projekt keretében

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

 

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


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

 

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

agrár Arundo genetika mezőgazdaság óriás olasznád PANNON BREEDING Pannon régió projekt sókoncentráció sóstressz stresszellenállóság stresszhatás szelekció