Bezárás

Növényi kommunikáció, avagy a félmilliárd éves diskurzus

Írta: MezőHír-2023/01. lapszám cikke - 2023 január 16.

A növényi érzékelés és kommunikáció már régóta foglalkoztatja a növénybiológiai tudományos közösséget, főleg azon részét, akik felismerték, hogy a növények látszólagos egyszerűsége mögött valójában az összetettség és szervezettség hihetetlen mélységei rejlenek.

Az egyik, sok szempontból rejtélyes terület a növények ún. másodlagos anyagcseréje, amely az anyagcseretermékeknek az élővilágban máshol nem tapasztalt bonyolult hálózatát és sokféleségét foglalja magában. Vajon mi célt szolgálnak ezek a molekulák, miért termelik a növények? Mi lenne, ha egyszer teljesen megértenénk a jelentőségüket?

A növényi kommunikáció kutatása

Erasmus Darwin már a 18. század végén – korát messze megelőzve – papírra vetette, hogy „…lehetséges, hogy a növényvilág rendelkezik a nedvességet, a fényt és az érintést érzékelő szervekkel, valamint egy olyannal is, amely a szaglásunkhoz hasonló…” (Zoonomia, or the Laws of Organic Life, 1794).

A következő században fia, Charles Darwin, akit főleg a természetes szelekció és az evolúció elméletének úttörőjeként ismerünk, egy késői művében szintén a növények csodálatos képességeit hangsúlyozta: „Nem túlzás azt állítani, hogy a gyökércsúcs, amely képes irányítani a hozzá csatlakozó növényi részek mozgását, úgy működik, mint egy alacsonyabb rendű állat agya; a szervezet legalsó részén elhelyezkedve, de megkapva minden információt az érzékelést végző szervektől, irányítva a növekedést…” (The Power of Movements in Plants, 1880). Bár a gyökereket az állati aggyal rokonítani a mai felfogás szerint már túlzás, Darwin mégis megalapozta a növényi kommunikáció mostanában reneszánszát élő kutatását.

Valódi kommunikáció

A valódi kommunikáció egy körfolyamatként írható le, amelyben a küldő fél által kibocsátott kommunikációs jelet a fogadó fél feldolgozza, és arra válaszol, amely válasz hatással van a küldő félre is, és ebből mindkét fél számára előny származik. Természetesen létezik részleges kommunikáció is, amikor nem mutatható ki előny mindkét oldalon, sőt sokszor az egyik fél egyenesen „kémkedik”, vagy belehallgat a küldő fél jelzéseibe, hogy azt a saját céljaira aknázza ki. Így tesznek például a patogén szervezetek. A kommunikációs csatornák tehát a jelzések különböző formáinak, intenzitásainak és arányainak szerteágazó egyvelege, amelyben a növények és a velük együtt elő szervezetek mégis eligazodnak. A növényi kommunikáció egyik legnyilvánvalóbb formájával találkozhatunk például nyáron a természetben sétálva, ahol megannyi növény illata csapja meg orrunkat, és mindannyian élvezzük a virágok levegőben szálló aromáinak kavalkádját. Nem véletlen az elfogultságunk, hiszen az illatok többségét éppen azért termelik a növények, hogy a beporzó rovarokat odavonzzák magukhoz, amely csábító jelből mi is érzékelünk egy keveset. Ezzel máris megvalósul a kommunikáció egy alapvető formája a növények és rovarok között, sőt, bőven akad példa arra is, hogy magasabb rendű szervezetek, kétéltűek, hüllők, madarak vagy akár denevérek is részt vesznek ebben. De vajon van-e ennél is összetettebb információcsere?

Mindannyian ismerjük a frissen levágott fű illatát, különösen, ha egyszerre nagy mennyiségben szabadul fel a fűnyíró nyomán. Ez a karakteres illat sokféle, a levegőben szálló vegyület keveréke, amit a sebzett növények termelnek a sebzés hatására. Ugyanezeket bocsátják a levegőbe akkor is, ha nem mi nyírjuk őket, hanem növényevők rágják vagy legelik őket. Ennek a vegyületcsokornak a feladata a vészjelzés: a sebzést a növény egy növényevő károsításaként ismeri fel, és a többi levél vagy akár a közeli fajtársak – felismerve a jelzést – képesek lesznek megfelelő védekező lépéseket tenni, pl. a rágó rovar számára ehetetlenné tenni a leveleket. Egészen hihetetlen, de a növények a kórokozó mozgása által keltett rezgések felismerésére is képesek, és ez alapján pontosan be tudják azonosítani például a levélen araszoló hernyót!

Az elektromos impulzusok is részt vesznek a jelek növényeken belüli továbbításában

Vannak sokkal kifinomultabb trükkjei is a növényvilágnak, ők is ismerik ugyanis az „ellenségem ellensége a barátom” elvet. Egy speciális károsító hernyó támadásakor a növény olyan csalogatóanyagokat bocsát a levegőbe, amikkel odavonzza a hernyó természetes ellenségét, egy fürkészdarazsat, amely a petéit a hernyóba helyezve egyfajta élő bölcsőt alakít ki belőle: a darázs lárvái élve falják fel a rossz helyen táplálkozó rovart. Tudományos kísérletek szerint egy rendszeresen ollóval metszett növény mellett növekvő másik növényegyeden kisebb mértékű rovarok általi rágást és magasabb védőenzim-aktivitást tapasztaltak, azaz a metszéssel sebzett növényből felszabaduló vegyületek felkészítették a szomszédot a rágás elleni védekezésre. Ami még érdekesebb, hogy ez a fajta kommunikáció fiatal növények között hatékonyabb volt, mint idősek között, és egy növény az utódaival szintén hatékonyabban tud „beszélgetni”, mint a távolabbi rokonsággal.

A kommunikáció folyamata (forrás: ExperiPlant Kft.)

Újabb kutatási eredmények

Napjainkban a kutatók egyre újabb és újabb vegyületeket írnak le, amelyek a kommunikációban vesznek részt, és már az is nagyon valószínű, hogy nem az egyes vegyületek, hanem a vegyületek keveréke és annak összetétele, illetve az egyes vegyületek megfelelő aránya az, ami információt hordoz. Lehetséges hát, hogy az egyes vegyületek egy hatalmas abc betűi, és az ezekből a molekulákból összeállított csokrok pedig a mondatok egy több száz millió éves nyelvtan által szervezve rendszerbe.

Régebb óta ismert az is, hogy az elektromos impulzusok is részt vesznek a jelek növényeken belüli továbbításában. A Vénusz légycsapója (Dionaea muscipula) rovarfogó leveleinek vagy a mimóza (Mimosa pudica) leveleinek gyors csukódása mögött például ún. akciós potenciálok átadása rejlik, amelyet egyébként a mi agyunk is produkál. Az elektromos jelzéseket már a növények közötti kommunikációban is kimutatták, jól beállított kísérletekben mérhető volt ugyanis egy növényben a szomszédos növényben indukált modulált elektromos jelzés.

Az elektromos jelzés előnye az, hogy a kémiai kommunikációnál sokkal gyorsabban képes jelzéseket továbbítani. Tudományos fantasztikumnak tűnik ugyan, de komoly kutatócsoportok dolgoznak a növények lehetséges hangjelzéseinek és hangérzékelésének felderítésén is. Sajnos ezen a területen is a tudománytalan bulvár „vizsgálatok” a legismertebbek, amelyekben „kimutatták”, hogy a növények Mozartot hallgatva jobban nőnek, mint például rockzene mellett. Valójában azonban rendkívül érzékeny mikrofonokkal megállapítható, hogy a növények másfajta hangjelzéseket produkálnak különböző stresszek (szárazság vagy sebzés) hatására. Az is bizonyítást nyert, hogy a csírázó kukoricamagvak a 200 Hz körüli hangjelzés irányába növesztik a gyökerüket, sőt maguk a fejlődő gyökerek is kiadnak egyfajta pattogó hangot. A hangjelzések valódi kommunikációs szerepe azonban még nem bizonyított, ennek eldöntése még sok további vizsgálatot igényel. A hangjelzések passzív alkalmazására ugyanakkor rengeteg példa van, mégpedig egy növény és emlős kapcsolatában.

Az Ó- és Újvilágban is léteznek olyan növények, amelyek egészen speciális alakú leveleket fejlesztenek a beporzandó virágok közelében. Ezek a levelek, alakjuknál fogva, már messziről észlelhetők az ultrahangos echolokációval tájékozódó denevérek számára, szinte „világítanak” számukra a sűrű esőerdőkben. Az ultrahangok visszaverődése még arról is tájékoztatja a denevért, hogy érdemes-e megközelíteni az adott virágot egy kis nektár reményében, ugyanis a beporzott és nektárt már nem tartalmazó virág alakja is megváltozik. Ennél is tovább specializálódott egy dél-ázsiai növény, egy ún. kancsókafaj (Nepenthes hemsleyana), amely egészen meghitt kapcsolatban áll egy denevérfajjal. A kancsókafélék kehelyszerű módosult levelei ún. rovarfogó funkcióval bírnak, az oda becsalogatott és belecsúszott rovarokat megemésztik, és így fedezik nitrogénszükségletüket. Az említett faj azonban nem rovarokat fog, hanem egy állandó szállássá alakulva folyamatos búvóhelyet biztosít a denevérnek, amely pihenni az ő kis kancsókájához jár vissza, és a napközben elfogyasztott rovarok megemésztése eredményeképp keletkező ürülékét éppen a növénybe pottyantva biztosítja annak nitrogénigényét. Ebben az esetben ráadásul egy kancsóka- és egy denevéregyed szoros kapcsolatáról is beszélhetünk! (megj.: A kancsókák változatos formavilága megtekinthető a budapesti Füvészkertben.)

Paradigmaváltó eredményként volt értékelhető a növényi kommunikáció kutatásában, amikor bebizonyosodott, hogy az egymástól a levegőben elválasztott, de a talajban összekötött növények között is megvalósulhat információátadás: a levéltetvekkel fertőzött növény jelezte a szomszédjának a veszélyt, amely átállította az anyagcseréjét a tetveket elriasztó vegyületek termelésére. Ez a kapcsolat a talajban a gyökereket összekötő ún. közös szimbionta gombamicélium-hálózaton át valósult meg, a gombahifákat elszakítva ugyanis gátolható az információ átadása. A jelzések továbbítása egyrészt kémiai úton, másrészt vélhetően elektromos úton is lehetséges.

Arbuszkuláris mikorrhiza által kolonizált gyökérrészlet, talajba ágazó hifákkal (forrás: ExperiPlant Kft.)

Mikorrhiza-kapcsolatok

A növényekkel kölcsönösen előnyös szimbiózisban élő gombákkal való kapcsolatot összefoglaló néven mikorrhizának (a görög gomba-gyökér jelentésű szóösszetételből) nevezzük. Két leggyakoribb típusa az arbuszkuláris és az ektomikorrhiza. Az előbbi a legősibb, közel félmilliárd éves mikorrhizakapcsolat, amely már a növények szárazföldi megjelenésénél is jelentős szereppel bírt, legfontosabb feladata a talajból a szervetlen tápanyagok felvétele és növénynek juttatása, amiért cserébe a növény által megtermelt cukrokat kap. A gomba és növény közötti kapcsolat és hatékony együttműködés kialakulása egy külön vaskos fejezetét alkotja a növényi kommunikáció irodalmának. Esetükben az egyik legősibb növény-mikroba kommunikációs útvonalról beszélhetünk, amellyel szinte minden ma élő szárazföldi növény rendelkezik, bár egyes mikorrhizát nem képező növények utólag lemondtak a használatáról. A tápanyagfelvétel mellett számos – a szárazföldi élettel összefüggő – stresszhatás esetén nyújthat védelmet a gombakapcsolat, bizonyított például a szárazság, a patogének vagy bizonyos szennyezőanyagok elleni védelem. Különösen jelentős az a hatása, amivel a talaj szerkezetét javítja és szervesanyag-tartalmát növeli.

A természetben szinte mindenhol előfordulnak ezek a gombák, sokféleségük pedig a növények és növénytársulások ellenálló képességének záloga, hiszen a gombadiverzitás mértéke a gombák által a növények számára nyújtott előnyös tulajdonságok sokféleségével arányos. Az arbuszkuláris mikorrhiza neve az ún. arbuszkulumból (görög eredetű szó, jelentése fácska) származik, amely a növényi sejt belsejében a növény és gomba által képzett szoros kapcsolat, a legfontosabb tápanyagátadó szerv. Az ektomikorrhiza evolúciósan fiatalabb kapcsolat, amely akkor jelent meg, amikor a nyitvatermők meghódították a földet. Legfontosabb szerepe a több szerves anyagot tartalmazó talajokból történő tápanyagfelvétel.

Esetében a gombahifák nem hatolnak be a növényi sejtek belsejébe, hanem a gyökérkéreg sejtjei között alkotnak egy hálózatot (ún. Hartig-háló). Az említett kétféle mikorrhizatípust teljesen másfajta gombák alakítják ki. Ektomikorrhiza esetén pár ezer aszkuszos vagy bazídiumos gomba vesz részt a kapcsolatban (pl. a főcím fölötti képen látható ízletes rizike), míg az arbuszkuláris mikorrhiza esetén egy különálló ősi gombacsoport, az ún. Glomeromycota törzs tagjai, amely esetében pár száz, bár rendkívül változékony fajról beszélhetünk.

Wood Wide Web

A növényeket a talajban összekötő gombahálózatok jelentőségének egyik első szószólója a kanadai Suzanne W. Simard volt, aki bebizonyította, hogy eltérő fafajok hajtásai között akkor is lehetséges szénátadás, amikor azok üvegbúrával vannak letakarva. Később további vizsgálatokban elemezték az erdők talajbéli hálózatát, és az összetettség és szervezettség szinte lélegzetelállító mélységeibe nyertek bepillantást. A gyökereket és az azokat összekötő gombahifák rendszere, amelyet „Wood Wide Web”-nek, azaz a növénytársulások internetének is neveznek, az információáramlás egy óriási jelentőségű útvonalhálózata, sőt szupersztrádája. Akár egy erdei ökoszisztémára tekintünk a maga ektomikorrhiza gombáival vagy egy gyepet az arbuszkuláris mikorrhizagombák kapcsolataival, minden esetben kijelenthető, hogy a gyökereket összekötő gombahálózatok a természetes rendszerek alapvető fontosságú információs bázisát alkotják.

A gombák sokfélesége és a talaj-gomba-növény kapcsolat magasszintű működése tehát minden természetes rendszer alapja és az egészséges, jól működő immunrendszerrel bíró növények egyik legfontosabb szükséglete. Néhány idősebb, kiterjedt gyökérzetű növényegyed információs központként folyamatosan jelzésekkel láthatja el a körülötte élőket, amely jelzések a talajban minden irányban szétterjedhetnek. Egy erdőben ezek az idősebb, központi (ún. „hub”, azaz csomóponti) fák azok, amelyeknek a gyökerében, mint egy könyvtárban, a legtöbb fajta gomba megtalálható, és egy erdőpusztulás után a föld alatti hálózat az ő segítségükkel tud regenerálódni. Az is rendkívül izgalmas, hogy egy fa jobban képes kommunikálni az utódaival, vagyis a genetikailag közelebb álló egyedekkel, és a gyökereken át még szénforrásokkal is ellátja őket, amely biztosíthatja a magoncok túlélését az árnyékos aljnövényzetben addig, amíg egy idős fa kidőlésével megnyílik az út a rés betöltésére.

Arbuszkulumok (forrás: ExperiPlant Kft.)

Természetesen a növényi kommunikáció kutatásának – bár még gyerekcipőben jár – komoly gyakorlati haszna is lehet. Képzeljük csak el, amikor speciális – akár hordozható – műszerekkel a növények jelzéseit is tudjuk majd olvasni, sőt akár megfelelő molekulakoktélokat előállítva és kipermetezve akár befolyásolhatjuk is az anyagcseréjüket, felkészítve őket például egy aszályos időszakra. Eljöhet tehát az idő, amikor – mint Jean-François Champollion a rosette-i kő alapján az egyiptomi hieroglifákat –megfejtjük a növények jelzéseit, sőt, talán kommunikálni is tudunk majd velük!

Szerző: Dr. Parádi István (a növénybiológia doktora, a mikorrhiza specialistája), ügyvezető – ExperiPlant Kft., adjunktus – ELTE Biológiai Intézet, e-mail: [email protected]