Új magyar felfedezés csökkentheti a gabona fagykárt: a beeső fény színképétől függ a fagytűrés szabályozása

Kanadai kutatók figyelték meg először, hogy a fagyálló búzafajták már viszonylag magas hőmérsékleten (15℃) képesek a hidegedződésre, míg az érzékeny tavaszi fajták csak a jóval alacsonyabb, 0 Celsius-fok körüli hőmérsékletre reagálnak. Ezért az érzékeny fajtáknak kevesebb idejük marad az alkalmazkodásra, így jobban károsítja őket az éjszakai fagy. Magyar kutatók a közelmúltban derítették fel ennek hátterét. Rájöttek, hogy a fagytűrő növények képesek a napfény színképének alkonyatkor beálló változását érzékelni. Ez indítja be náluk a fény spektruma által szabályozott hidegedződés folyamatát. 

Az ELKH Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetének (ATK MGI) munkatársai azt is megállapították, hogy milyen molekuláris, illetve élettani változások okozzák a fagytűrési képesség növekedését. A földön a nappalok hossza, a hőmérséklet, valamint a napfény intenzitása és spektrális összetétele évmilliók óta, évszaktól és napszaktól függően, ciklikusan változik. A növényeknek – helyhez kötött létformájuk miatt – alkalmazkodniuk kellett ezekhez a változásokhoz. Nappal például a vörös, illetve az úgynevezett távoli vörös (V/TV) fény aránya állandó a színképben, és nem függ a felhők jelenlététől. Alkonyatkor azonban – amikor a Nap a horizont felett kevesebb, mint 10 fok magasságban látható – a vörös fénytípusok aránya szignifikánsan lecsökken. Ez a jelenség az egyenlítőtől távolodva egyre jelentősebbé válik, továbbá kiemelten jellemző a Föld északi féltekéjének mérsékelt és boreális (szubarktikus) égövein. 

Nyárfakísérlet

Azt, hogy a napsugárzás színképének változása valóban hatással van a növényekre, már a 2000-es évek elején igazolták az évelő fás szárú növények esetében. A kutatók akkor leírták, hogy a nyárfaág növekedése gátolható, ha esténként alacsony V/TV-arányt tartalmazó fehér fénnyel világítják meg. Továbbá azt is, hogy ez a kezelés felgyorsítja a nyírfa rügyfakadását.

Gabonacsírázás és fagytűrés

A mérsékelt égövön az őszi gabonaféléket októberben vetik, ennek következtében a kikelő csíranövényeknek át kell vészelniük a novemberben előforduló fagyokat, majd az azt követő fagyos telet is. A vetés idején a Nap már alacsonyan jár. Emiatt alkonyatkor nő a színképében a távoli vörös fény aránya a vöröshöz képest. A kutatók abból a hipotézisből indultak ki, hogy a fagyálló gabonák érzékelik a színképnek ezt a változását. Ennek következményeként már viszonylag magas – de a hidegakklimatizációs tartományt még el nem érő – hőmérsékleten beindítják a hidegakklimatizációs folyamatokat, amelynek eredménye a megnövekedett fagyállóság lesz.

Hipotézisük helyességét kísérletekkel igazolták, ugyanis mesterséges körülmények között, +15℃-on sikerült a fagytűrő őszi gabonák – a búza és az árpa – fagyállóságát a színkép módosításának révén növelni.

Az is kiderült, hogy a fagyállóságot meghatározó CBF-gének expressziója szignifikánsan nő a spektrumváltozás következtében. A fotoreceptorok ugyanis érzékelik a fény erősségében, illetve színképében bekövetkező változásokat, és ezek alapján szabályozzák a szemek csírázását, a növekedés intenzitását, valamint a virágzás idejét. A fitokrómok (fotoreceptor-pigmentek) érzékelik például a V/TV fény arányának változását.

A végeredmény fontos és hasznos

Különféle génexpressziós vizsgálatok elvégzését követően a kutatók arra következtetésre jutottak, hogy a fitokróm A elősegíti, míg a fitokróm B gátolja a fény által szabályozott fagytűrés kialakulását. Ezek után már csak az a kérdés maradt megválaszolatlanul, hogy milyen olyan metabolomikai változások történnek a levelekben, amelyek eredményeként nő a fagytűrés?

Mivel a környezeti tényezők megváltozásakor a növényi hormonok szabályozzák a növények adaptációs válaszait, a kutatók a Prágában dolgozó cseh kollégákkal együttműködve meghatározták, hogy milyen hatást fejt ki a hideg, illetve a fehér fény alacsony V/TV-aránya a kezelt árpalevelek hormonösszetételére. Megállapították, hogy hideg, valamint a modulált fénykezelés együttes hatására bizonyos hormonok mennyisége – például a stressztűrést szabályozó abszcizinsav – is hasonlóan változik (1. ábra). A hidegedződés során változik a sejthártya lipidösszetétele. Ezáltal csökken a viszkozitás, ami akadályozza a fagy okozta membránkárosodást.

Lipidanalízis eredmények

Az ATK MGI kutatói az ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) munkatársainak segítségével teljes lipidanalízist (lipidomika) végeztek. Az eredmények arra utalnak, hogy a modulált fehér fény hatása hasonló a hidegedzéséhez a levél lipidösszetételének szempontjából (2. ábra). Azt is megállapították, hogy a két környezeti tényező hatása összeadódik. A kutatók úgy gondolják, hogy a fényregulációs folyamat felderítése révén új molekuláris markerek hozhatók létre, célzottan a fagykárok enyhítésére. A kutatás az ELKH-OTKA K-128575 pályázat keretében folyik, Galiba Gábor témavezetésével. Az ELKH SZBK együttműködő vezető kutatói Kozma-Bognár László és Kovács László.