Az éghajlatváltozás, beleértve a globális felmelegedést számos növényélettani stressztényező gyakoriságát és súlyosságát növelheti, köztük az extrém magas hőmérsékletű időszakokat is. Mindez jelentősen visszavetheti a termesztett növények produktivitását. Az elmúlt évek tendenciái alapján hazánkban is egyre inkább számolni kell a magas hőmérséklet növénykárosító hatásaival, akár önálló tényezőként, akár más stressztényezőkkel együttesen. A problémára választ keresve az ELKH Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetének kutatói – Darkó Éva és Janda Tibor irányítása mellett – egy nemzetközi együttműködés keretében azt vizsgálták, hogy milyen hatással lehet a gabonafélék előzetes hőedzése a növények hőtűrésére. A kutatók igazolták, hogy a fiatal gabonafélék búza, árpa, és zab előzetes hőakklimációja hatékonyan javítja a hőtűrésüket egy későbbi magas hőmérsékleti stresszel szemben. Az erről szóló tanulmányt a Physiologia Plantarum folyóiratban publikálták.

A magas hőmérséklet az egyik legfontosabb abiotikus stresszor, amely a világ számos részén korlátozhatja a növények fejlődését, ezáltal pedig jelentős gazdasági károkat is okozhat. Világviszonylatban a hőstressz átlagosan 15 százalékkal csökkenti a búza terméshozamát. A magas hőmérséklet hatással van a növények különböző fiziológiai, biokémiai és molekuláris szintű folyamataira is.

Ismert, hogy a mérsékelten magas hőmérsékletű előkezelés (hőakklimáció) védelmet biztosíthat a későbbi extrém magas hőmérsékleti stresszel szemben, mert ezáltal úgynevezett szerzett termotolerancia jön létre. Míg a hőstressz által okozott károsodási folyamatokat elég jól feltérképezték már a szakemberek, addig a hőakklimáció folyamata kevésbé ismert. Kialakulásában feltehetőleg számos molekuláris mechanizmus vesz részt. A hőakklimáció molekuláris mechanizmusainak jobb megértése gyakorlati szempontból is fontos, hiszen ezek az eredmények hozzájárulhatnak a hőtűrőbb genotípusok előállításához is.

Hőedzés hatása az aktuális kvantumhatásfokra, továbbá a fotokémiai és a nem-fotokémiai kioltási paraméterek hőmérsékletfüggésére gabonafélékben. Sematikus ábra. C: kontroll, edzetlen; HA: hőedzett; Y(II): aktuális kvantumhatásfok; Y(NPQ: regulált nem-fotokémiai kioltás; (Y(NO) nem-regulált nem-fotokémiai kioltás.

Az ATK Mezőgazdasági Intézet Növényélettani Osztályának kutatói a vizsgálatok során igazolták, hogy egyes toleráns genotípusok az akklimatizációs hőmérsékleten képesek fokozni a párologtatást, miközben nem csökken a nettó széndioxid-asszimiláció mértéke. Azt is sikerült bizonyítaniuk, hogy extrém magas hőmérsékleten a toleráns genotípusok gyorsabb sztómazárásra képesek, mint a hőérzékenyek. A hőakklimatizáció számos védelmi mechanizmust is érint, ilyen például az antioxidáns enzimek indukciója. A poliaminok hatásmechanizmusa a szerzett hőtolerancia kialakításában azonban még kérdéses. A legújabb eredmények alapján feltételezhető, hogy a mennyiségi növekedés mellett – vagy helyett – inkább a poliaminciklushoz kötődő jelátviteli folyamatok lehetnek fontosak.

Mindezeken túl a kutatók feltérképezték az egyéb növekedésszabályzó anyagok, növényi hormonok mennyiségi alakulását a hőedzés során. Egyes növekedésszabályozók (szalicilsav, auxin, abszcizinsav), és ezek rokon vegyületeinek (para-hidroxi-benzoesav, fazénsav és dihidro-fazénsav) mennyiségi alakulása jelentősen különbözött a vizsgált genotípusokban. A különféle stresszfüggő paraméterek eredményei arra utalnak, hogy az emelt hőmérsékletekre adott válaszok egyes hasonlóságai mellett különböző stratégiák is működnek a magas hőmérséklet káros hatásainak csökkentésére. Az őszi és tavaszi árpafajtákon végzett részletes metabolomikai analízis továbbá lényeges különbségeket mutatott mind a fajok, mind a fajták között. A kutatók számos vegyületet – köztük cukrokat, szerves savakat, aminosavakat és cukoralkoholokat – tudtak elkülöníteni és kimutatni. Bizonyos speciális útvonalak, például a raffinóz-családba tartozó oligoszacharidok indukciója, illetve a galaktinol szintézise feltehetően ​​szintén hozzájárulhat a gabonafélék fokozott hőtűréséhez.

A kutatók a jövőben további kérdésekre keresik a választ: szeretnék feltárni többek között azt, hogy maga az emelt hőmérsékletnek való kitettség is stressz lehet-e, különösen fiatal korban. A hőkezelés stresszokozó hatásainak változását is tervezik kutatni az idő és más környezeti tényezők – például fény – függvényében. Mivel az egész növény és az egyes szervek adaptálódása eltérő lehet, szükség van például a gyökér és a bokrosodási csomó szerepének részletes vizsgálatára is. A stresszválasz a fejlődési fázistól is függ, ezért további kutatásra van szükség annak megállapításához is, hogy a hőedzési folyamatok és a genotípusok közötti különbségek megnyilvánulnak-e a felnőtt növényekben is.

A kutatás az Európai Unió és a Magyar Kormány támogatásával megvalósult projekt keretében történt. A kutatásokhoz jelentős segítséget nyújtott a szintén állami támogatással létrehozott, az ATK-nál nemrég üzembe helyezett metabolomikai labor is, amelyről bővebben itt olvashatnak.

Különböző árpa és zab genotípusok metabolit változásának „hőtérképe” és főkomponens-analízise

Különböző árpa és zab genotípusok anyagcserefolyamatainak változása emelt hőmérséklet hatására.

Az ATK MGI Metabolomikai laborjának részlete