Növényi túlélés

A hőmérséklet emelkedésével és az aszályok gyakoribbá válásával a tudósok olyan megoldásokat keresnek, amelyek segítségével a növények kevesebb vízzel is életben maradhatnak. Egyes trópusi fák már most is a megoldás kulcsát rejthetik.

A Bécsi Egyetem kutatói feltárták, hogyan alakult ki bizonyos Clusia fajoknál a fotoszintézis egy szokatlan formája, amely lehetővé teszi, hogy éjszaka szén-dioxidot vegyenek fel, nappal pedig megőrizzék nedvességtartalmukat.

A Nature Communications című folyóiratban publikált tanulmány bemutatja, miként eredményeztek a több millió éven át felhalmozódó genetikai változások különböző víztakarékos stratégiákat egyetlen trópusi facsoporton belül.

A fotoszintézis rejtélye

A legtöbb növény apró pórusokon, úgynevezett sztómákon keresztül veszi fel a szén-dioxidot, amelyek rendszerint nappal nyílnak ki. Ezeken a nyílásokon keresztül azonban víz is távozik párolgás útján. A száraz környezetben élő növényeknek ezért nehéz egyensúlyt kell teremteniük a szén-dioxid felvétele és a nedvesség megőrzése között.

Egyes trópusi fák úgy oldják meg ezt a problémát, hogy éjszaka nyitják ki a sztómáikat, amikor általában alacsonyabb a hőmérséklet, és kisebb a párolgás mértéke. Az így felvett szén-dioxidot almasav formájában tárolják, majd nappal felszabadítják, hogy a fotoszintézis során felhasználhassák. Ezt a folyamatot röviden CAM-nak nevezik, teljes nevén pedig a varjúhájfélék savanyagcseréjeként ismert.

Egy felfedezés mély gyökerekkel

A Clusia fák szokatlan viselkedése már több mint két évszázaddal ezelőtt felkeltette a tudósok figyelmét. Alexander von Humboldt természettudós 1800 körül megfigyelte, hogy egy vízbe merített trópusi falevél nappal nem bocsátotta ki az általa várt oxigénbuborékokat.

A tudósok ma már tudják, hogy a CAM-anyagcserét folytató növények nappal zárva tarthatják a sztómáikat, miközben a korábban eltárolt szén-dioxidot továbbra is felhasználják a fotoszintézishez. Az azonban sokáig nem volt világos, hogy pontosan miként alakult ki ez a képesség a különböző Clusia fajokban.

Három fa, három különböző stratégia

A folyamat feltárásához a kutatók három faj, a Clusia rosea, a Clusia minor és a Clusia major genomját hasonlították össze. Emellett azt is vizsgálták, hogyan reagálnak a fák a vízellátottság változásaira közel természetes üvegházi körülmények között. Az eredmények jelentős különbségeket tártak fel.

A Clusia rosea a CAM-anyagcsere intenzív formáját alkalmazza, és éjszaka jelentős mennyiségű szén-dioxidot tárol el. A Clusia minor főként akkor aktiválja ezt a folyamatot, amikor a környezeti feltételek kedvezőtlenebbé válnak.

A Clusia major ezzel szemben a hagyományos, nappali szén-dioxid-felvételt kombinálja a CAM-anyagcserével, így rugalmas, vegyes stratégiát alkalmaz. Ezek a különbségek megmutatják, hogy a közeli rokonságban álló fák is eltérő módokon alkalmazkodhatnak a vízhiányhoz.

Hogyan változtak meg az ősi gének?

A kutatók felfedezték, hogy mindhárom faj evolúciója során ősi genomkettőződési események történtek, amelyek következtében az ősök genetikai állományának további másolatai jöttek létre.

A több millió év alatt ezek a megnövekedett genomok jelentős átrendeződésen mentek keresztül. Egyes megkettőződött gének eltűntek, mások inaktívvá váltak, bizonyos gének pedig új funkciókat alakítottak ki. A tanulmány első szerzője, Hannes Kramml elmagyarázta, hogy ez az evolúciós átrendeződés az éjszakai szén-dioxid-tárolásban szerepet játszó géneket is érintette.

A kutatást vezető Wolfram Weckwerth professzor hozzátette, hogy a megkettőződött genomok kiterjedt átrendeződése segít megmagyarázni, miért alakítottak ki a Clusia fajok ennyire változatos fotoszintetikus stratégiákat.

Az eredmények arra utalnak, hogy a CAM-anyagcsere nem egyetlen egyszerű evolúciós esemény eredményeként alakult ki, hanem több genetikai változás együttes hatására.

Segíthet ez a jövő haszonnövényeinek?

A CAM-anyagcserét alkalmazó növények hatékonyabban használhatják fel a vizet, mint azok, amelyek kizárólag a hagyományos fotoszintézisre támaszkodnak. Az előny hátterében álló gének és anyagcsere-folyamatok megértése a jövőben segíthet olyan haszonnövények kifejlesztésében, amelyek jobban alkalmazkodnak a száraz környezethez.

Ezeknek az összetett mechanizmusoknak a mezőgazdasági növényekbe történő átültetéséhez azonban még jelentős további kutatásra van szükség. A tanulmány trópusi fákat vizsgált, nem pedig genetikailag módosított haszonnövényeket tesztelt, ezért a gyakorlati mezőgazdasági alkalmazás egyelőre csak hosszabb távon valósulhat meg.

Tanulságok a természetből

Az eredmények megmutatják, hogyan segítheti az evolúciós alkalmazkodóképesség a növényeket a kedvezőtlen környezeti feltételek leküzdésében. Ha a tudósok megértik, miként őrzik meg a trópusi fák a vizet a fotoszintézis fenntartása mellett, új módszereket fedezhetnek fel a mezőgazdaság alkalmazkodóképességének javítására.

Ahogy az éghajlatváltozás egyre nagyobb nyomást gyakorol a globális élelmiszer-termelésre, ezek a figyelemre méltó fák értékes támpontokat kínálnak annak megértéséhez, hogyan maradhatnak életben a növények vízhiányos körülmények között.