Az ismertetés kiemeli: a magyar kutatók azt is megállapították, hogy milyen molekuláris, illetve élettani változások okozzák a fagytűrési képesség növekedését. Így fedezték fel a magyar szakemberek azt, hogy a gabonák fagytűrésének a beeső fény színképétől függ a szabályozása. A felfedezést az ATK kutatói a Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) munkatársainak közreműködésével érték el.

Az összegzés felidézi, hogy kanadai kutatók figyelték meg először, hogy a fagyálló búzafajták már viszonylag magas hőmérsékleten (15 Celsius fokon) képesek az úgynevezett hidegedződésre, míg az érzékeny tavaszi fajták csak a jóval alacsonyabb, 0 Celsius fok körüli hőmérsékletre reagálnak. Emiatt az érzékeny fajtáknak kevesebb idejük marad az alkalmazkodásra, így jobban károsítja őket az éjszakai fagy.

Hozzáfűzték magyarázatként még azt is, hogy 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. 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 hogy ez a kezelés felgyorsítja a nyírfa rügyfakadását.

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, és 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 Celsius fokon 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.

Különféle génexpressziós vizsgálatok elvégzését követően arra következtetésre jutottak a kutatók, 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.

1. ábra. A különböző hőmérsékletek és/vagy a távoli vörös (FR) fénykezelés által kiváltott növényi hormonválaszok, valamint a kulcsfontosságú hormonmetabolizmussal kapcsolatos gének expressziós változásainak összefoglaló ábrája. Jelmagyarázat: FR-M: A 18 napos árpanövények tíz napig történő TV-kezelése 15°C-on. FR-M/FR-C (28): 28 napos TV-edzett növények 5°C-on történő kezelése további hét napig. FR-C (18): 18 napos egyedek kombinált hideg- (5 °C) és TV-kezelése hét napon keresztül. W – fehér fény; FR – távoli vörös fénnyel kiegészített fehér fény. ABA, abszizinsav; IAA, indol-3-ecetsav; JA, jázmonsav; SA, szalicilsav; aktív CK-ek, aktív citokininek; CKX9, citokinin oxidáz/dehidrogenáz 9; COAA, acetil-CoA acetiltranszferáz; YUCCA5 indol-3-piruvát-monooxigenáz; ZEP1 zeaxantin-epoxidáz; NCED1, 9-cisz-epoxikarotinoid-dioxigenáz 1; SDR2, rövid láncú dehidrogenáz 2; AO2, aldehid-oxidáz 2; LOX, lipoxigenáz; PAL, fenilalanin-ammónia-liáz.

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.

2. ábra. Ez az összefoglaló ábra a távoli vörös fénnyel kiegészített fehér fényű megvilágítással (WL+FR) kezelt árpaminták lipidösszetételének változását, illetve az ehhez kapcsolódó gének kifejeződését tekinti át 15 és 5°C-os hőmérsékleten. Látható, hogy az árpalevelek lipidösszetétele a TV-kezelés hatására átalakul: megnőtt a LisoPC, a lizofoszfatidil-kolin, a LisoPE, a lizofoszfatidil-etanolamin, a foaszfatidil-kolin (PC), a foszfatidil-glicerin (PG), a foszfatidil-etanol-amin (PE), a foszfatidil-szerin (PS), a nem szaturált lipidek (NSzL), a mono-galaktozil-diacilglicerol- és digalaktozil-diacilglicerol-arány (MGDG/DGDG) és a ceramidok (HexCer) mennyisége, illetve csökkent a foaszfatidil-kolin/foszfatidil-etanol-amin lipid (PC/PE) aránya. A hidegkezelés a következő lipidalkotókra gyakorolt hatást: NSzL, MGDG/DGDG, PS. A távoli vörös fénnyel folytatott (WL + FR) kezelés a neutrális ceramidáz (NC), a digalactozildiacil-glicerin szintáz (DGD), a nem-lizoszómális glukózceramidáz (GC) gén expresszióját, míg a hidegkezelés a GC, az NC, az AD3, az alkoholdehidrogenáz 3, a PLDα1, a foszfolipáz D alfa 1, a PLDα3 és a foszfolipáz D alfa 3 gén expresszióját befolyásolta. A hideggel (5 °C) és a távoli vörös fénnyel folytatott (WL + FR) kezelés együttesen a GC és az NC gén expressziójában okozott változásokat. A lipidösszetételben bekövetkezett változások a fagyállóság növekedésével jártak együtt. Szimbólumok – narancs: a lipid-metabolitok változása; zöld: a génkifejeződés változása; kék: a fagyállóság változása. A kiváltott fagytűrés sorrendje: + <++ <+++. A szignifikanciaszint p<0,1

A kutatás az ELKH-OTKA K-128575 pályázat keretében folyik, Galiba Gábor témavezetésével. Az ELKH SZBK együttműködő vezető kutatói pedig Kozma-Bognár László és Kovács László – tartalmazza azösszefoglaló.