Az ELKH Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetében (ATK MGI) Majláth Imre tudományos főmunkatárs vezetésével folytatott kutatás keretében a növényi szabad gyökök hatását vizsgálták hidegtűrő, illetve hidegre érzékeny kukoricavonalakra. Alacsony hőmérsékleten történő csírázás során a metilglioxál-előkezelés hatására javult a csírázási százalék, a növekedési paraméterek, a hajtáshossz és a hajtás friss tömege, különösen a hidegre érzékeny genotípusban. A kutatók megállapították, hogy a hidegre adott védekezési válasz nem közvetlenül a metilglioxál hatására alakult ki, hanem az másodlagos stresszválaszt indukált a növényi sejtekben. Az érzékenyebb kukoricavonal antioxidáns védőválaszt adott, a toleránsabb inkább hormonálisan reagált a kezelésre. A rangos Physiologia Plantarum folyóiratban megjelent új eredmények hozzájárulnak a növényi szabad gyökök biológiájának mélyebb megértéséhez.
A reaktív oxigénformákhoz (ROS) képest a reaktív karbonil-, illetve aldehidformák (RAS) kevésbé ismertek mint szabad gyökök. Az előbbi három csoport hatása sok tekintetben hasonló, ugyanakkor némileg ambivalens a növényi anyagcsere-folyamatokra nézve. Ezek a szabad gyökök eloxidálják, azaz károsítják a makromolekulák ‒ például DNS, RNS, enzimek ‒ szerkezetét, és rontják működésüket, kisebb koncentrációban azonban elsődleges és fontos jelátvivő szerepet töltenek be a sejteken belül, a sejtes szignalizációs hálózatok fontos közvetítő tagjai. Szignáltranszdukciós szerepük kiemelkedően fontos az abiotikus stresszválasz kialakulásában.
A mostani kutatás középpontjában egy RAS-forma, a metilglioxál (MG) molekula állt. A kutatók arra voltak kíváncsiak, hogyan hat a kukoricanövényre a külsőleges, adagolt MG-kezelés alacsony hőmérsékleti stressz alatt. Az MG természetesen is jelen van a növényekben. Főként a glikolízis és a fotoszintézis köztitermékeiből keletkezik nem enzimatikus utakon, deprotonálódás és a triózfoszfátcsoportok β-eliminációs kémiai reakciói során. A kukorica alapvetően hidegre érzékeny faj, a kísérletek alanya ezért két szabad felhasználású kukoricavonal, a hidegtűrő A654 és a hidegre érzékeny Cm174 volt.
A metilglioxálban (kontroll, 2,5, 5 és 10 mM) történő magáztatás hatása az A654 vonalban a csírázás utáni 10. napon
A metilglioxálban (kontroll, 2,5, 5 és 10 mM) történő magáztatás hatása a Cm174 vonalban a csírázás utáni 10. napon
A kutatók változatos kezelési módok alkalmazásával egy MG-indukálta mesterséges stresszválaszt hoztak létre kukoricanövényekben. A legsikeresebb kezelési módnak a magok MG-oldatban való előzetes áztatása bizonyult. Az adagolás mikéntje, az alkalmazott MG-koncentrációk hatása szintén meghatározó volt. A nagyobb koncentrációk károsították vagy egyenesen elpusztították az embriót, míg a közepes és kisebb koncentrációk sikeres alapozást hoztak létre a vizsgált növények anyagcseréjében. Alacsony hőmérsékleten (13 °C) történő csírázás során az MG-előkezelés hatására javult a csírázási százalék, a növekedési paraméterek, a hajtáshossz és a hajtás friss tömege, különösen a hidegre érzékeny genotípusban. A fotokémiai rendszerek fényhasznosítása szintén jobbnak bizonyult, amihez valószínűleg a magasabb fotoszintetikus pigmenttartalom is hozzájárulhatott. A fotoszintézis aktivitása tekintetében a legmarkánsabb javulást a nettó fotoszintetikus aktivitás értékei mutatták. Ez esetben is az A654 vonalhoz képest jelentős lépéshátránnyal induló Cm174 növények reagáltak jobban.
A kontroll (0 mM metilglioxál-tartalmú desztillált víz) és a 10 mM koncentrációjú metilglioxál-oldattal kezelt, 13 °C-on nevelt kukorica csíranövények (A654, Cm174 vonalak) nettó fotoszintetikus aktivitásértékei (Pn), amelyek az egy négyzetméternyi levélfelületen egy másodperc alatt történő szén-dioxid-felvételt mutatják meg. A mérések légköri (390 ppm) és telítési (1000 ppm) szén-dioxid-szint mellett történtek. A telítési Pn-értékek minden esetben magasabbak voltak, ami a hideg egyszerű, a gázcserenyílás mozgását befolyásoló szabályozására utal.
Felvetődött a kérdés, hogy a növény felveszi-e az MG-t. Tehát maga az MG-molekula volt hatással a növényre, vagy a molekula által elindított jelátvitel következtében alakult ki a hideggel szembeni edzettség? A kutatók nagy hatékonyságú folyadékkromatográfiás méréssel tisztázták, hogy a csírázás utáni hetedik napon az endogén MG már a kimutathatósági határérték alatt volt, vagyis a növények – ha fel is vettek valamennyi MG-t a magáztatás idején – valószínűleg nem az endogén MG által alakították ki a hideg elleni védelmet. Az egyébként citotoxikus MG szöveti mennyiségének másik bizonyítéka az alacsony malondialdehid-szint volt. Ennek mennyisége egyenesen arányos a sejthártyák károsodottságának mértékével. A kutatók ez alapján megállapították, hogy a hidegre adott védekezési válasz nem de facto MG-hatás volt, hanem az MG másodlagos stresszválaszt indukált a növényi sejtekben.
A transzkriptumok súlyozott korrelációs hálózati elemzése (WGCNA) során először az egyes modulok (klaszterek) feltárását végezték el. Felbontás tekintetében több modul is a felszínre került különböző színkódokkal ellátva. A ko-expressziós modulok közötti kapcsolatok tanulmányozásához és a különböző hálózati topológiák összehasonlításához több későbbi lépés is szükséges volt.
A teljes körű, sok ezer géntermék jelenlétének és hiányának meghatározására alkalmas modern genomikai vizsgálat, az m-RNS-transzkriptom-szekvenálás és a WGCNA ko-expressziós hálózatelemzés a hideg elleni védelemre szakosodott fontos gének expresszióját igazolta, illetve segített feltárni néhány funkcionálisan értelmes, az MG-kezelés hatására alacsony csírázási hőmérsékleten együtt expresszálódó gén moduljait. Ezek részben a hormonok és flavonoidvegyületek metabolizmusában részt vevő enzimek ‒ abszcizinsav-8-hidroxiláz, fenilalanin-ammónia-liáz ‒, részben az általános stresszvédelem esetén felhalmozódó fehérjék ‒ glutation-S-transzferázok, „late embryogenesis abundant” védőfehérjék, UDP-glikoziltranszferázok ‒ génjei voltak.
A szignifikánsan differenciálisan expresszálódó transzkriptumok (gének) funkcionális térképezésének egy részlete. Az analízis a KEGG metabolikus anyagcsereútvonal-térképek használatával történt. A színek intenzitása az expresszió mértékét kifejező fold change értékek nagyságával arányos (piros: serkentés, zöld: gátlás).
A hideg hatására képződő antioxidáns hatású flavonoidvegyületek és főbb növényi hormonok ‒ gibberellinsav, abszcizinsav (ABA), indol-3-ecetsav ‒ biokémiai és molekuláris hatása fontos tényező a csírázás során. Pontos mennyiségi meghatározásuk az ATK Mezőgazdasági Intézetének az országban egyedülálló műszerparkkal rendelkező Metabolomikai Laboratóriumában, ultranagy hatékonyságú folyadékkromatográfiás és tömegspektrometriás méréssel történt. A megmért flavonoidok változásait összegezve ismét csak a Cm174 vonal egyedei mutattak erősebb antioxidáns választ a hidegre, a hormonválasz viszont az A654 esetében volt kiemelkedőbb. A növekedés szempontjából fontos auxinforma, az indol-3-ecetsav mennyisége itt magasabb volt. Az öregedést elősegítő és a csírázás ellen ható ABA-szint ugyan jelentősebb volt az A654 növényekben, mint a Cm174 vonalban, azonban bomlástermékeinek aránya azt mutatta, hogy az előbbi esetben az ABA lebomlása is intenzívebb volt. Tehát a csírázást gátló ABA degradációja intenzívebb volt a hidegtoleráns vonal esetén. A toleránsabb kukoricavonal inkább hormonálisan reagált, míg az érzékenyebb antioxidáns védőválaszt adott az MG-edzés hatására. A kutatócsoport a jövőben más reaktív aldehidformák hatását is igyekszik jobban megérteni.