A növények egyszerre több különböző, kedvezőtlen környezeti stresszhatásnak vannak kitéve, melyek csökkentik a genetikailag várható mezőgazdasági hozamot. A kedvezőtlen élettelen környezeti körülmények (pl. szárazság, magas és alacsony hőmérséklet, illetve magas sókoncentráció) jelentős terméskiesést okozhatnak.
A népesség növekvő élelmiszerigényének kielégítése
A globális népességnövekedés üteme lassulni látszik, azonban a klímaváltozás érezhetően súlyosbodik, fokozva az időjárási anomáliák előfordulását, míg a művelésbe bevonható területek nagysága csökken. A megfelelő mennyiségű élelmiszer előállításának problémája mellett a fejlett régiókban folyamatosan nő az igény az egészséges, környezettudatos módon előállított termékek iránt. Mindezekkel párhuzamosan egyre több és szigorúbb szabályozás lép életbe az élelmiszer-biztonság és a biodiverzitás megőrzése érdekében. A népesség növekvő élelmiszerigényének úgy kell eleget tenni, hogy kevesebb, illetve kevésbé káros vegyszereket alkalmazunk, valamint környezetbarát alternatív megoldásokat keresünk.
Egyre több mezőgazdasági cég termékpalettáján jelentek meg a növényi növekedést és stressztoleranciát növelni képes növényi alapú készítmények, pl. algakivonatok, melyek többek között növényi hormonokat, aminosavakat és vitaminokat tartalmaznak. Ezeknek a komplex készítményeknek a kijuttatása különböző fenológiai fázisban, megfelelő hígításban lombtrágyaként javasolt. A világ különböző földrészein a biostimulánsok népszerűsége eltérő prioritás sorrend szerint, de fokozatosan nő: Európában az Európai Unió szigorodó szabályozásai (Green Deal: Európai zöldmegállapodás), Ázsiában az ott tapasztalható súlyos egészségügyi következmények miatt. Ezekből adódóan mind elméleti, mind gyakorlati szempontból nagy jelentősége van a természetben előforduló, a gazdasági növények streszszérzékenységét csökkenteni képes védővegyületek vizsgálatának.
Biostimulánsok/biostimulátorok
Már régóta ismert anyagok, de meghatározásuk még mindig nem egységes. A fogalom elég tág, például az European Biostimulants Industry Council (EBIC) szervezet meghatározása szerint: „…olyan anyagokat és/vagy mikroorganizmusokat tartalmazó készítmény, mely a növényen, illetve annak gyökérzetén alkalmazva stimulálja a tápanyagfelvétel természetes folyamatát, annak hasznosulását, az abiotikus stresszhatásokkal szembeni állóképességét és/vagy a termésminőséget, függetlenül annak tápanyagtartalmától”.
Tehát a biostimulánsoknak lényegében az alábbi kritériumoknak kell megfelelniük: fokozzák a fotoszintézist és a növényi metabolizmust, védjenek a stresszhatások ellen, és ezekből adódóan fokozzák a termés mennyiségét és/vagy minőségét. Ugyanakkor mivel természetes anyagok, és alacsonyabb dózisban elégséges ezeket kijuttatni, így kisebb környezeti terhelést fejtsenek ki (1. ábra).
Ha felhasználási terület és mód szerint nézzük, ezeket legnagyobb mennyiségben a soros növények, gabonafélék esetében használják, és a főleg a lombtárgyként kijuttatott biostimuláns szerek a népszerűek. A talajjavító anyagok vagy oltószerek és magáztatáshoz javasolt szerek még mindig nem elég elterjedtek.
Az összetevők alapján vizsgálva vezető szerepük van az algakivonatoknak és a huminanyagoknak. A világszerte használt biostimulátorok biológiailag aktív hatóanyagai különbözőek lehetnek. Népszerűek az említett algakivonatok magas hormontartalmuk miatt, de léteznek más növényi kivonatok is pl. fűzfakéregből (magas szalicilsav-tartalom), gyógynövényekből (magas polifenol-tartalom). A kitozán a kitinhez hasonló szénhidrát, mely szintén gomba-, illetve baktériumölő hatású.
A huminanyagok huminsavat, fulvosavat, más szerves anyagokat (pl. enzimek, enzimaktivátorok, aminosavak, karbonsavak, vitaminok), de ásványi anyagokat is tartalmaznak, és számos pozitív hatással bírnak a gomba- és baktériumölő hatásuk mellett. Az úgynevezett „Plant Growth Promoting Microorganism”, azaz a növények növekedését elősegítő mikroorganizmusok alkalmazása a gyökér és a mikrobák szimbiózisán alapul, és a korai és erős gyökérzet kialakulásával fokozza a növény tápanyagellátását, valamint a talajban szintén megtalálható patogén kórokozók (baktériumok, gombák) kártételét is csökkenti.
A biostimulátorok fejlesztése
Ezeknek a termékeknek a folyamatos fejlesztése szükségessé teszi a növények életfolyamatainak és az általuk indukálódó válaszreakcióknak a mélyebb megismerését használatuk optimalizálásának érdekében. Kutatócsoportunk (HUN-REN Agrártudományi Kutatóközpont, Mezőgazdasági Intézet, Növényélettani és Metabolomikai Osztály) már évtizedek óta foglalkozik a természetben előforduló védővegyület növényélettani hatásaival. Ilyen védővegyületek a poliaminok is, melyek minden élő sejtben a hormonoknál nagyobb mennyiségben előforduló alifás aminvegyületek.
A legnagyobb mennyiségben és legtöbbet vizsgált poliamin a putreszcin, a spermidin és a spermin, mely felsorolás megegyezik az egymásból való szintézisük irányával is. Szabályozószerepük bizonyított számos alapvető sejtszinten zajló folyamatban (mint pl. sejtosztódás, differenciálódás, DNS-duplikáció, fehérjeszintézis és fotoszintézis), és egyre több irodalmi adat szerint a stressztoleranciában is szerepet játszanak.
A poliaminoknak korábban egyszerű védőhatást tulajdonítottak, mivel kationos jellegük miatt képesek reverzibilis kölcsönhatásba lépni a negatív töltésű makromolekulákkal (pl. DNS és fehérjék), ezáltal stabilizálják szerkezetüket, különösen stresszhatás alatt. Közvetlen védőszerepük mellett azonban a poliaminok jelátviteli molekulaként részt vesznek az alapvető sejtfolyamatok szabályozásában. A poliaminok metabolizmusa rendkívül dinamikus, köszönhetően annak, hogy a szintézisük egy ellentétes visszaalakulási reakciófolyamattal együtt képezi az úgynevezett poliaminciklust (2. ábra).
Azonban a poliaminok végleges lebontása és a putreszcinné visszaalakulásuk során is hidrogén-peroxid szabadul fel, mely nagy mennyiségben káros lehet, mivel oxidatív stresszt vált ki. Ezért a metabolizmus finomhangolása rendkívül fontos a sejt számára.
A korábban végzett vizsgálatok többsége a poliaminkezelések jótékony hatásaira összpontosított, és a stressztűrés, valamint a megnövekedett poliamintartalom közötti összefüggést hangsúlyozta. Habár a poliaminszintek azonnali növekedése a stresszre adott gyakori válaszreakció, az is előfordulhat, hogy a megnövekedett mennyiségük vált ki stresszhatást, így nem általánosítható az a kijelentés, hogy minél több, annál jobb.
A poliaminkezelések hatását nemcsak az alkalmazott stresszfaktor, a poliaminkoncentráció és az adott növény esetén egyedi intenzitású poliamin-metabolizmus befolyásolja, hanem az alkalmazott poliaminvegyület típusa és a kezelés módja is (pl. magáztatás vagy permetezés). Kísérleteink során vízkultúrás nevelésben adagolt poliaminkezelések hatásait, a poliamin-metabolizmusban bekövetkező változásokat vizsgáltuk.
A sokszor hasonló hatású vegyületként kezelt putreszcint, spermidint és spermint különböző koncentrációban alkalmaztuk búza- és kukoricanövényeken. Míg a putreszcin kedvező hatású volt a növény növekedésére és fotoszintézisére még az alkalmazott legmagasabb koncentrációban is mind búzában, mind kukoricában, ugyanazon koncentrációban a spermidin és spermin, koncentrációfüggő módon, oxidatív stresszt és növekedésgátlás okozott a kukorica esetében. Továbbá rizsnövényekben még a putreszcinkezelés is már közepes koncentrációban is káros hatású volt.
A poliamintartalom elemzése feltárta, hogy az alkalmazott poliaminok felvételre kerültek a növénybe, metabolizmusuk aktiválódott, azonban a növényfaj számára nem megfelelő poliaminvegyülettel vagy nem megfelelő koncentrációjával történt kezelés olyan nagy mértékű endogén poliaminfelhalmazódást váltott ki, mely sárguláshoz, hervadáshoz, növekedésgátláshoz vezetett. Ugyanakkor a megfelelően megválasztott poliaminkezelés védelmet nyújtott szárazság– és nehézfémstressz során is búzanövényekben.
Vizsgálatainkat kiterjesztettük egy régi-új módszerhez, a magáztatáshoz visszanyúlva. A magáztatás („seed priming”) egy a csírázást javító módszer, mellyel a kelés is egyöntetűbb. Habár a magáztatás régóta ismert technika, számos előnye ellenére sem terjedt el széleskörűen. Kertészetekben, zöldségtermesztésben többnyire pl. növényi hormonokat, mint a szalicilsav vagy antioxidánsokat, mint az aszkorbinsav, használnak.
A folyamat során egymást követő, illetve párhuzamosan zajló folyamatok (pl. DNS-javító mechanizmusok, fehérjeszintézis, metabolikus enzimek aktiválódása, raktározott tápanyag mobilizálása és antioxidáns rendszer aktiválódása) indulnak be, melyek majd a csírázást serkentik. Az utóbbi években ugyan megjelent egy-két poliaminokat is tartalmazó biostimuláns-termék a piacon, de a poliaminok jelentősége a gazdálkodók előtt széles körben még nem ismert, ráadásul a magáztatás sem kedvelt módszer.
A kutatási eredmények bizonyították, hogy a poliaminok megfelelő koncentrációban és időtartammal alkalmazva az áztatás során bejutva a magba az adott vegyület felhalmozódását eredményezik a csíranövényben, továbbá olyan metabolomikai és génexpresszió-szinten zajló változásokat fog eredményezni, melyek, hasonlóan az edzési folyamatokhoz, jobb és gyorsabb csírázást, illetve jobb ellenállóképességet fognak eredményezni.
A megfelelő poliamin-vegyület kiválasztása mellett azonban a megfelelő koncentráció, az áztatás és a visszaszárítás időtartamának helyes megválasztása is fontos. Érdekes kérdésként merül fel az is, hogy a beindított kedvező folyamatokra meddig „emlékszik” a növény a magáztatást követően. Az irodalomból ismert, hogy létezik a növényekben az úgynevezett „stress memory”. Azaz a növények képesek megjegyezni egy múltbeli eseményt, és ennek köszönhetően egy jövőbeli eseményre felkészültebben reagálnak.
Hogyan lehetséges ez? A korábban említett metabolomikai és génexpressziós szintjén indukáló változások mellett a poliaminkezelések epigenetikai változásokat is eredményezhetnek. Az epigenetikai változás egyik fajtája a DNS-metiláció, melynek során a citozin pirimidingyűrűjének 5-ös szénatomjához a DNS-metiltranszferáz enzimek által metilcsoport kapcsolódik. A metiláltság szintje befolyásolja a génexpressziót, mivel a metilált DNS-szekvenciák általában inaktív géneket jelölnek. A poliaminok tehát rendkívül sokoldalú vegyületek, a kedvező és kedvezőtlen hatásaik közötti egyensúlyt mindig a metabolizmusuk finomhangolása teszi lehetővé.
A mezőgazdasági termelés versenyképessé tétele
A kereskedelmi forgalomban elérhető biostimulánsok pozitív hatását igazolni látszik piaci térnyerésük, ugyanakkor az egyes biostimulánsok konkrét hatásmechanizmusa és tapasztalt hatása eltérő lehet különböző fajok és fejlődési szakaszok függvényében. A helyzetet tovább nehezíti, hogy mivel komplex készítményekről van szó, nehéz elkülöníteni, hogy az egyes alkotók pontosan mely anyagcserefolyamatokat és azokat hogyan befolyásolják.
Fontos tehát, hogy kontrollált körülmények között, megfelelően beállított kísérletekben vizsgáljuk hatásukat. A mezőgazdasági termelés versenyképessége így többek között attól is függ, hogy a korszerű kutatási eredmények milyen gyorsan és eredményesen jutnak el a gazdálkodókhoz, és tudnak megjelenni a gyakorlatban. Kutatócsoportunk kulcsfontosságúnak tartja az alap- és alkalmazott kutatás eredményeinek népszerűsítését és a kutatók és gazdálkodók közti kommunikáció erősítését.
Az irodalomjegyzék a szerzőnél és a szerkesztőségben érhető el.
SZERZŐ: PÁL MAGDA • HUN-REN ATK MGI MARTONVÁSÁR, NÖVÉNYÉLETTANI ÉS METABOLOMIKAI OSZTÁLY
