Hogyan készülnek fel a fák a tavaszi rügyfakadásra, miközben még mindig a tél jeges fogságában vannak? Magyar kutatók vizsgálták a vadgesztenyék rügypikkelyeit. Eredményeiket a Journal of Plant Physiology című szaklapban közölték.
Az közismert, hogy a rügypikkelyek olyan módosult levelek, amelyek körülveszik és megvédik a következő évre kialakult, még törékeny levél- és virágkezdeményeket a fagytól, a kiszáradástól és az éhes növényevőktől – ugyanakkor belső élettani működésük és további funkcióik mostanáig nagyrészt feltáratlanok maradtak. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) és a Semmelweis Egyetem kutatóiból álló kutatócsoporttal közösen kimutattuk, hogy a vadgesztenye (Aesculus hippocastanum) ragadós, barnás színű rügypikkelyei a puszta védőpajzsoknál vagy a hajtást burkoló passzív „télikabátnál” sokkal többet jelentenek a növények számára, mivel egész élettartamuk alatt fotoszintetikusan aktív zöld színtesteket, úgynevezett kloroplasztiszokat rejtenek.
Munkánk során végigkövettük a vadgesztenye rügypikkelyeket teljes élettartamuk során – a május végi kialakulásuktól kezdve egészen a következő év rügyfakadása után, május elején bekövetkező öregedésükig és lehullásukig. Meglepő módon azt találtuk, hogy ezek a módosult levelek még a tél legmélyén is fenntartják alacsony szinten, de működőképes fotoszintetikus apparátusukat. Ezáltal mintegy takaréklángon működnek, és a koratavaszi rügyfakadáskor azonnal hatékonyan tudják támogatni a fát abban, hogy minél gyorsabban elősegítse a lomblevelek hirtelen növekedését.
Csupaszon vagy beburkolva?
A trópusi szavanna éghajlaton a száraz évszakban, illetve a mérsékelt éghajlaton a téli fagyok idején nem lehetséges fenntartani és megvédeni a fás növények nagy, fénynek kitett, fotoszintetikusan aktív leveleinek hatalmas felületét. Ezért sok fafaj ilyen körülmények között úgy alkalmazkodott a zord környezethez, hogy a növekedési időszak végén elhullajtja nagy leveleit, és minden évben újakat fejleszt, amikor a körülmények ismét megengedik. A fák leveleinek megjelenése rügyfakadáskor, valamint az őszi lombkorona elszíneződése és a levélhullás a Föld leglátványosabb természeti jelenségei közé tartoznak. A születésnek, életnek és halálnak ez a folyamatos ciklusa világszerte számos művészt megihletett.
A következő év leveleit és hajtásait vagy virágait termelő osztódószövetek a hajtáscsúcs végén helyezkednek el, és védelmet igényelnek a zord időjárás, különösen a tél ellen. A fák erre különféle stratégiákat fejlesztettek ki: egyeseknél úgynevezett „csupasz rügyek” találhatók, ahol nincs külön egy olyan speciális zárt struktúra, amely védené a hajtáscsúcsot; míg másoknál szabályosan egymásra boruló rügypikkelyek veszik körül és óvják ezeket az értékes szöveteket. Némely fák a rügyeiket a fakéreg alá rejtik, ennek egy érdekes és látványos példája, amikor a virágrügyek és így a virágok közvetlenül a fatörzsből bújnak elő – ilyen jelenség figyelhető meg a kakaófa vagy a brazil szőlőfa esetében is.
A vadgesztenye (Aesculus hippocastanum) Európa-szerte népszerű díszfa, amelynek hatóanyagai jelentős gyógyászati értékkel bírnak. Magjait ezért is gyűjtik sokan, a belőle készült különböző készítmények pedig szintén népszerűek. Elsősorban krémek és gélek formájában külsőleg alkalmazzák, mert az érfalakat erősítő, gyulladáscsökkentő hatásuk van, ami különösen visszeres panaszok esetén hasznos. A vadgesztenyének nagy, ragadós rügyei vannak, amelyeket több, egymást keresztben átellenes módon átfedő rügypikkelyréteg borít. A külső rügypikkelyek vastagok, sötétbarnás színűek és nagyon ragacsosak, míg befelé haladva zöldesebb és vékonyabb rétegek következnek.
A levélkezdeményeket tartalmazó rügyek és a rügypikkelyek titkainak feltárására irányuló első hazai kutatások 2004 körül indultak el az ELTE-n, a Böddi Béla professzor által vezetett kutatócsoportban. Ennek során 37 fás szárú növényfaj rügypikkelyeinek fényáteresztő és spektrális tulajdonságait vizsgáltuk meg, akkor azonban csak a téli és a tavaszi állapotokról készítettünk pillanatfelvételt, anélkül, hogy a rügy-pikkelyek fejlődését, a sejtek és a bennük lévő színtestek szerveződését, a színanyagok szintézisét és a fotoszintetikus aktivitást a teljes életciklusuk során elemeztük volna. Akkori vizsgálataink fontos eredménye, hogy a rügypikkelyek a látható és infravörös tartomány szempontjából gyakorlatilag zárószűrőként (cut-off filterként) működnek, ami azt jelenti, hogy körülbelül 680 nm felett a fotoszintézis szempontjából fontos hullámhosszakat, valamint a hőt (infravörös hullámhosszú sugárzás) teljesen áteresztik, az ennél alacsonyabb hullámosszúságú fényt viszont alig engedik át. Egyetlen barna külső rügypikkely a bejövő sugárzás intenzitását annak közel 10%-ára mérsékli ezen tartományokban, tehát 90%-osan kiszűri. Több, egymásra boruló barna réteg még hatékonyabb lehet az árnyékolásban, miközben a belsőbb, zöld rügypikkelyek kevésbé hatékony szűrők vagy „napszemüvegek”.
Pajzsok és raktárak
Munkánk során kifinomult „munkamegosztást” fedeztünk fel a rügy különböző rétegei között. A külső, barnás pikkelyek elsődleges védelmi vonalként, többek közt fizikai pajzsként szolgálnak, emellett hőszigeteléssel és erős fényszűrő tulajdonságokkal is védik a belül található érzékeny szöveteket. Ezzel szemben a belső, vékonyabb és zöldes pikkelyek a téli nyugalmi időszakban is fenn tudják tartani magasabb klorofilltartalmukat és stabil, bár alacsony fotoszintézis-hatékonyságukat is.
A szakirodalomban a rügypikkelyeket gyakran inaktív és nem fotoszintetizáló szerveknek tekintették, de kutatásaink alátámasztják, hogy multifunkcionális szerepet töltenek be, és aktívan hozzájárulnak a növény különböző élettani folyamataihoz is. Azáltal, hogy belső „napelemeiket” (a zöld színtesteket) sértetlenül és működőképesen tartják és télen is megőrzik, a rügypikkelyek a rügyfakadás során gyorsan visszanyerhetik aktivitásukat, és akkor biztosítanak létfontosságú energiát, amikor a fának a legnagyobb szüksége van rá az új hajtások fejlődéséhez. Ezenkívül e szín-testek alacsony fotoszintetikus aktivitása és egyéb biokémiai működése télen más létfontosságú anyagcsere-folyamatokhoz is hozzájárulhatnak.
A kémiai védekezés ragadós tudománya
Napenergia-hasznosító képességeiken túl a vadgesztenye rügyei híresek ragadós gyantájukról is, amely kiváló tulajdonságai alapján biomimetikus nyomásérzékeny ragasztók fejlesztését is inspirálhatja. Kutatócsoportunk nagy felbontású folyadékkromatográfiával és tömegspektrometriával (HPLC-UV-HRMS) elsőként jellemezte ezt a gyantát, és 15 különböző kémiai al-kotóelemet azonosítottunk benne. A gyanta összetételét főként flavonoidok, azon belül is metoxilált flavonolok alkotják, amelyek kifinomult kémiai pajzsként működnek az UV-sugárzás és a kórokozók ellen.
Ezek a vegyületek – köztük a ramnocitrin és különböző metilált kvercetinek – antioxidáns és antimikrobiális gátat képeznek, kiegészítve a pikkelyek által nyújtott fizikai és fényvédelmet. Ez a többrétegű védelmi rendszer (fizikai, fény-, hő- és kémiai) biztosítja a fa jövőbeli leveleinek és virágainak túlélését a legkedvezőtlenebb körülmények között is. Ragacsosságuk miatt a növényevők számára sem jelentenek olyan vonzó tápanyagot télen a vadgesztenyerügyek.
Még mit taníthatnak nekünk a rügypikkelyek?
A kutatás során fénymikroszkópiát, transzmissziós elektronmikroszkópiát (TEM), a színanyagok és elrendeződésük spektroszkópiai elemzését, valamint klorofill-fluoreszcencia-képalkotási módszereket kombináltunk, hogy nyomon kövessük ezeket a változásokat az év négy évszakában. Minket is meg-lepett, hogy a május végén kialakuló fiatal rügyektől kezdve az egy évvel később bekövetkező lehullásukig gyakorlatilag végig zöld színtesteket találunk mindkét rügypikkely rétegben. A külső pikkelyek a rügyfakadás után viszonylag gyorsan elöregednek és lehullanak, a belső pikkelyek hosszabb ideig aktívak maradnak, a bennük fennmaradó kloroplasztiszokkal támogatva a kialakuló hajtás korai növekedését.
Ezen alapvető túlélési stratégiák megértése nem csupán a díszfák és leveleik titkos életének megisme-réséről szól. Azok a mechanizmusok, amelyek lehetővé teszik a vad-gesztenye rügyeinek, hogy nyugalmi állapotuk alatt is megőrizzék fotoszintetikus apparátusukat, kulcsfontosságú ismereteket nyújthatnak a mezőgazdaság számára. Mivel a klímaváltozás miatt egyre gyakrabban fordulnak elő szélsőséges téli és tavaszi időjárási körülmények, a növények „anyagcsere-hibernálásának” megértése hosszú távon akár az ellenállóbb és az éghajlathoz jobban alkalmazkodó növényfajták nemesítéséhez is hozzájárulhat.
Enkhbileg Enkhjin
Solymosi Katalin
Munkánkat a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal K-135712 számú OTKA pályázata, a Kulturális és Innovációs Minisztérium EKÖP-24-3-II egyetemi doktori kutatási ösztöndíjprogramja, valamint a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíja támogatta.
