Mi történik a mezőgazdasági növényekkel, ha az újonnan megjelent emberi forrású szennyezések, mint a nehézfémek, a mikroműanyagok, a nanorészecskék vagy az antibiotikum-maradványok együtt vannak jelen a talajban? Milyen innovatív kezelések javíthatják a növények ellenállóképességét ezzel az együttes hatással szemben? Dr. Feigl Gábor vezetésével erre a kutatási témára alakult meg MTA-SZTE „Lendület” Antropogén Stressz és Növényi Ellenálló Képesség Kutatócsoport.

Míg az egyes a stressztényezők hatásait a kutatók jobban ismerik, Dr. Feigl Gábor szerint a növények növekedésére és egészségére gyakorolt kombinált hatásuk többnyire tisztázatlan.

– A növénybiológiában az elmúlt évek egyik felfutó kutatási témája az emberi eredetű stresszorok hatásának vizsgálata. Szintén jópár éve terjed a nézet az alapkutatásban, hogy a valós, szántóföldi körülmények között a növényekre egyszerre több stresszt okozó szennyező anyag hat, és ezeket kombinációban is vizsgálni kell. A stressznek kitett növény ugyanis kevésbé lesz ellenálló más stresszorokkal szemben, ami végső soron a terméshozam csökkenéséhez vezethet – mondja az SZTE növénybiológusa.

Az ötéves kutatási programot Dr. Feigl Gábor csoportja a lehetséges stresszkeltő anyagok hatásának feltérképezésével kezdi:
– Az egyes stresszorok önálló hatásairól már vannak előkísérleteink, most majd a kombinációkat fogjuk kipróbálni. Ha stressz van a növény életében, akkor a háttérben mindig lejátszódik egy bizonyos jelátviteli válasz. Ebben a szakaszban megismerjük, mi zajlik pontosan a növény szöveteiben, sejtjeiben.

A második szakasz célja, hogy olyan innovatív előkezelési módszereket vizsgáljanak meg, amelyek fokozhatják a növények ellenálló képességét a többszörös stresszel szemben. Dr. Feigl Gábor kutatóműhelyében a növényi magok kétféle előcsíráztatását végzik majd el: nanoformátumú szilícium-dioxiddal, valamint az úgynevezett bio priming során mikroorganizmusokkal kezelik az éppen csírázó magvakat:

– Amikor a magot előcsíráztatás közben tesszük ki a kezelésnek, akkor az olyan válaszreakciót okoz, amelyre a növény később emlékezni fog. A magcsírázás folyamatát elvisszük egy pontig, és megállítjuk még mielőtt a csírázás ténylegesen megtörténne, majd visszaszárítjuk a magot. A szilíciumos kezelés képes lehet a kifejlett növény későbbi stresszválaszának erősségét fokozni, vagyis toleranciafokozó lehet. Ugyancsak a magok előkezelésként vetünk majd be olyan mikroorganizmusokat, amelyek később szintén segíthetik a stressztoleranciát. Ezek olyan mikrobák, amelyek amúgy is megtalálhatók a talajban. Nem patogének, nem fognak fertőzéseket okozni, de persze fontos az alkalmazásuk mértéke – hangsúlyozza Dr. Feigl Gábor.

Dr. Feigl Gábor munkacsoportja a kutatás első szakaszaiban Petri-csészében végez kísérleteket. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

A harmadik szakasz célja, hogy az alapkutatások eredményeit a valós alkalmazásokhoz közelítse. A Lendület projekt fontos célkitűzése, hogy a kutatás eredményei hozzájáruljanak a fenntarthatóbb mezőgazdasági gyakorlatokhoz és segítsék a növények ellenálló képességének javítását szennyezett környezetben.

Feigl Gábor szerint ebben a szakaszban a laboratóriumi kísérleti rendszerekben kapott eredményeket fokozatosan átültetik a mezőgazdasági viszonyok közé. Ez kényes része a kutatásnak, hiszen a Petri-csészében végzett növénykísérletek kimenetelét időnként megváltoztatja a talaj.

– Ideális esetben a folyamatoknak hasonlóan kellene működniük, azonban ez nem mindig így történik. Vannak például in vitro kísérleti eredményeink a műanyagok hatásáról a Petri-csészében, de ha ezt a kísérletet áttesszük egy teljesen egyszerű virágföldes kísérleti rendszerbe, akkor minden megváltozhat. Más lesz a növény válasza, nem úgy fog hatni a műanyag, nem úgy fog nőni a gyökér, hiszen a kísérlet eredménye sok tényezőtől függ egy összetettebb közegben. Így aztán azt is vizsgálnunk kell, hogy a talajkörnyezet mennyire tudja csökkenteni vagy növelni a stresszorok hatását. A Petri-csészében csak a stresszorunk van és a fejlődő csíranövény. Viszont amikor a rendszerbe a talajt is belevesszük, annak fizikai és kémiai tulajdonságai bizonyos mértékig meg tudják változtatni a stresszor hatását. Ilyen tulajdonság lehet a pH-érték vagy a talajban eleve meglévő baktériumok, gombák, más esetleges szennyezések, tápanyagok. Az in vitro kísérletek során olyan markereket fogunk keresni, amelyek a stresszor(ok) hatására megbízhatóan változnak. Később a talajban nőtt növényeknél is vizsgáljuk ugyanezeket a markereket, és így követni tudjuk majd a változásokat – fejti ki Dr. Feigl Gábor.

A növénybiológus szerint a kutatás járulékos haszna lehet az is, ha olyan növényfajt vagy növényi folyamatot találnak, amelyet fitoremediációs célra felhasználhatnak az antropogén stresszorok kapcsán. Az SZTE Biológiai Intézetben régóta kutatják annak a lehetőségeit, hogy szennyeződéseket jobban tűrő növényeket használjanak a talajok és a víz megtisztítására. Egyes növények például olyan környezetből származnak, ahol természetesen magas a nehézfém tartalom; az Alissum lesbiacum nevű, Leszbosz szigetén bennszülött faj például jól bírja a nikkelszennyezést, mert az ottani talajban magas a nikkeltartalom. A nehézfém-tolerancia viszonylag gyakori a növények körében, például a fűzfélék is jól tolerálják a toxikus fémeket, ráadásul e növények jól és gyorsan termelnek biomasszát, ami azután betakarítható. A Lendület projekt témáját adó többi újkeletű stresszor kapcsán azonban az ezirányú ismeretek hiányosak, így a toleráns fajok azonosítása, vagy a mezőgazdasági fajok tűrőképességének fokozása fontos eredménye lehet a kutatásnak.

Dr. Feigl Gábor szerint az antibiotikum-szennyezés hatásával kapcsolatban nincsenek egységes eredmények.
– Nekünk is van olyan kísérletünk, amelyben ugyanarra a növényre az egyik antibiotikum pozitív, a másik pedig negatív hatású volt. Az azonban biztos, hogy az állattenyésztésben és a humán gyógyászatban felhasznált antibiotikumok nagy százaléka sértetlenül megy át a szervezeteken, és így kerül ki a szennyvizekbe, onnan pedig a talajokba. Itt egyrészt hatással lehetnek a növényekre, másrészt képesek módosítani a talajok mikrobiális összetételét, ez pedig megváltoztatja az egész rendszert. Ahogy felborul az egyensúly, könnyen elszaporodhatnak a kedvezőtlen hatású mikrobák, amik aztán szintén befolyással lehetnek a talajban lévő többi élő szervezetre, így a növényekre is.

A mikroműanyagok hatásának témáját Dr. Feigl Gábor így értékeli:

– Az elmúlt években végzett kutatásaink azt mutatják, hogy a műanyagok jelentős hatással tudnak lenni a növények korai fejlődésére: képesek befolyásolni a csírázást, a gyökérnövekedést, és olyan jelátviteli folyamatokat indítanak el, amelyek hosszú távon is kihatnak a növények életére. Emellett van olyan kutatási információ is, amely szerint a mikroműanyagok képesek vektorként viselkedni, vagyis más szennyezők terjedését segíteni: mivel ezek nem teljesen reakcióképtelen anyagok, magukhoz tudják kötni, majd később, akár jóval távolabb ki tudják bocsátani a szennyezőanyagokat. A mi alapteóriánk, hogy a műanyagoknak a többi antropogén stresszorral lesz bizonyos kölcsönhatása. Nem tudjuk előre, hogy ez pozitív vagy negatív irányú-e. Előfordulhat, hogy a műanyagok megkötik a szennyezőt és nem engedik ki később, vagyis csökkenthetik például a nehézfémek hatását. De előfordulhat az is, hogy megkötnek egy szennyezőt, mondjuk egy antibiotikumot vagy nanoanyagot, és később kiengedik, amikor nem is várnánk, ez a másodlagos szennyezés pedig további negatív hatást eredményez.

Dr. Feigl Gábor, a Szegedi Tudományegyetem Növénybiológiai Tanszékének habilitált egyetemi adjunktusa. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

A kutatási projekt számos „omikai” vizsgálatot is tervez a különböző kísérleti rendszerekben:
– A projekt során kifejezetten korszerű 21. századi molekuláris vizsgálatokat is el fogunk végezni. A növénymintákon metabolomikai, a talamintákon pedig metagenomikai vizsgálatokat tervezünk, amelyeket bioinformatikai módszerekkel elemzünk ki és így nagy adatmennyiségekből tudunk következtetést levonni. A metabolomikai vizsgálat során az emberi eredetű stresszor-kombinációk által a növények anyagcsere-termékeinek egyensúlyában okozott változásokat elemezzük. A metagenom vizsgálattal pedig a talajban élő mikroorganizmus-közösség összetételét nézzük meg. A kollégák a talajban található összes DNS-t kivonják a mintákból, és ezt vizsgálva bioinformatikai módszerekkel döntik el, milyen mikrobaközösség lakik a talajban. Ennek az összetételbeli változása a jelzés értékű: ha változás következik be, akkor valószínűleg változás van a talaj egészségében is, ami aztán hatással lesz a benne élő növény életére – foglalja össze Dr. Feigl Gábor.

Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Feigl Gábor, a Szegedi Tudományegyetem Növénybiológiai Tanszékének habilitált egyetemi adjunktusa. Fotó: Kovács-Jerney Ádám