A fagy bajnokai
A folyékony nitrogén
hőmérséklete −196 °C. Ilyen hidegben a hétköznapi tapasztalat szerint minden
élő növényi résznek pillanatok alatt el kellene pusztulnia. Mégis vannak nyugalmi
állapotú fás hajtások, amelyek megfelelő előkezelés után túlélték a folyékony
nitrogénbe merítést, majd felengedés után újra növekedésnek indultak. A
növényvilág legalacsonyabb hőmérsékleti rekordjai ezért jóval −100 °C alatt
járnak, de a rekord értelme csak akkor világos, ha azt is tudjuk, milyen
szövetet, milyen állapotban és milyen hűtési eljárással vizsgáltak (Sakai 1960;
Sakai & Weiser 1973).
A „legfagytűrőbb növény”
címhez több versenyszám tartozik. Nem ugyanazt méri egy nyugalomban levő téli
vessző rövid laboratóriumi fagyasztása, egy nyáron működő levél fagytűrése,
illetve az, hogy a teljes növény áttelel-e természetes élőhelyén. A túlélés
megítélése is eltérhet: jelezheti a sejtek festődése, az elektrolitok
kiszivárgása, a fotoszintézis helyreállása vagy az, hogy a hajtás később
valóban kihajt. A különböző módszerekkel kapott határértékeket ezért nem szabad
egyetlen egyszerű világranglistába rendezni.
Először a lehűlést és a
fagyást kell megkülönböztetni. A növényi szövet hőmérséklete 0 °C alá
süllyedhet anélkül, hogy azonnal jég képződne benne: ez a túlhűlés. Amikor
azonban megindul a jégképződés, kristályosodási hő szabadul fel, és a szövet
hőmérséklete rövid időre megemelkedik. Ezt a hőfelszabadulást hőelemmel vagy
infravörös kamerával is észlelni lehet. A nukleációs hőmérséklet, vagyis a
jégképződés kezdete nem feltétlenül azonos a károsodás hőmérsékletével (Pearce
2001).
A döntő kérdés nem
egyszerűen az, hogy képződik-e jég, hanem az, hogy hol. A sejten belül gyorsan
növekvő jégkristályok rendszerint roncsolják a membránokat és a
sejtszerkezetet, ezért az intracelluláris fagyás többnyire halálos. A fagytűrő
növények fő stratégiája nem az összes jégképződés megakadályozása. Inkább azt
érik el, hogy a jég először a sejteken kívüli terekben jelenjen meg, miközben a
sejtek belseje folyékony marad (Pearce 2001; Steponkus & Lynch 1989).
A sejtközötti jégnek
azonban ára van. A jég vízpotenciálja alacsonyabb, ezért vizet von ki az élő
sejtekből; a sejtek összezsugorodnak, oldott anyagaik feldúsulnak, membránjaik
pedig erős mechanikai és ozmotikus terhelést kapnak. A fagyási sérülés így sok
esetben valójában kiszáradási sérülés. A bajnok növénynek nemcsak a hideget
kell elviselnie, hanem azt is, hogy fagyás közben saját vízkészletének jelentős
része a sejten kívüli jégtömegbe kerül (Pearce 2001; Xin & Browse 2000).
Az egyik megoldás a fagy
elkerülése túlhűléssel. Tiszta víz idegen jégképző mag nélkül elméletileg csak
megközelítőleg −39 °C körül fagy meg önkéntesen, de a növényi szövet nem
tiszta, zárt vízcsepp. Felületek, mikrobák, sérülések és már jelen levő jég is
elindíthatják a kristályosodást. A túlhűlés ezért időben bizonytalan védelem,
és van fizikai alsó határa. Rövid, mérsékelt fagyban mégis elég lehet ahhoz,
hogy a növény a hideg éjszakát jégképződés nélkül vészelje át (Xin & Browse
2000).
A fák rügyei a fagy
elkerülésének kifinomult változatait alkalmazhatják. Egyes rügyekben a víz
külön, kevésbé érzékeny térbe vándorol és ott fagy meg, miközben az osztódó
szövetek túlhűtve maradnak. Ezt extraorganikus fagyásnak nevezik. A
rügypikkelyek, a rosszul átjárható szövethatárok és a rügy sajátos vízvezetése
együtt lassíthatják a jég behatolását. Ha azonban a túlhűlés határa átlépődik,
a mélyen túlhűlt szövet hirtelen és súlyosan károsodhat (Pearce 2001).
Akira Sakai 1960-ban
arról számolt be, hogy fás növények vesszői folyékony nitrogénbe merítve is
életben maradhatnak. A kulcs az előfagyasztás volt. A nyugalomban levő
szöveteket előbb −30 °C-on annyira kifagyasztotta, hogy a sejtekből eltávozott
a könnyen fagyó víz nagy része. Csak ezután következett a −196 °C-os kezelés. A
kísérlet tehát nem a korlátlan „fagyállóságot”, hanem a szabályozott vízelvonás
és a nagyon mély lehűtés együttes elviselését bizonyította (Sakai 1960).
Egy későbbi, mintegy
hetven észak-amerikai fafajt összehasonlító vizsgálatban az egyéves, nyugalmi
vesszőket 24 napon át −3 és −10 °C közötti kezeléssel edzették. A legnagyobb
ellenállást négy északi faj mutatta: az amerikai rezgőnyár (Populus tremuloides), a balzsamnyár (Populus balsamifera), a papírnyír (Betula papyrifera) és az amerikai
vörösfenyő (Larix laricina). Vesszőik
túlélték a −80 °C-os fagyasztást, sőt −15 °C-os előfagyasztás után a folyékony
nitrogént is (Sakai & Weiser 1973).
Ez a négyes jogosan
kerül a nyugalmi fás szövetek dobogójára, de egyik eredmény sem jelenti azt,
hogy egy egész, gyökerestül-lombostul élő fa elviselné a −196 °C-os telet. A
vizsgált részek kicsi, levágott, téli vesszők voltak; a hűtés sorrendjét és
sebességét a kutatók szabályozták. A folyékony nitrogén hőmérsékletén nincs
anyagcsere, növekedés vagy fotoszintézis. A rekord azt mondja meg, hogy a
sejtek szerkezete visszafordítható károsodás nélkül átvészelte ezt az
állapotot.
A kísérlet földrajzi
mintázata is tanulságos volt. Az északi, valamint a Sziklás-hegységben és a
nyugati hegyvidékeken élő tűlevelűek többségének vesszői −60 és −80 °C közötti
próbákat is túléltek. Ezzel szemben a Csendes-óceán és az Egyesült Államok
délkeleti partvidékének enyhe, nedves teléhez kötődő több faj már −15 °C körül
elérte határát. Még ugyanazon faj belső-hegységi és tengerparti állományai
között is lehetett különbség (Sakai & Weiser 1973).
A rendkívüli tűrés nem
állandó tulajdonság. A mérsékelt és hideg égövi fás növények nyáron növekedő
hajtásai sokkal érzékenyebbek, mint téli vesszőik. Ősszel a rövidülő nappalok
és az alacsony, de még nem feltétlenül fagyos hőmérsékletek nyugalmi állapotot
és hidegedződést indítanak el. Tavasszal a felmelegedés hatására a folyamat
visszafordul. Egy faj fagyhatára ezért évszakonként akár több tíz fokkal is
változhat (Xin & Browse 2000).
A hidegedződés nem
egyetlen „fagyálló anyag” felhalmozása. A növény érzékeli a hőmérséklet
csökkenését, majd jelátviteli folyamatok egész hálózatát kapcsolja át. Az egyik
legismertebb szabályozócsoportot a CBF/DREB1 transzkripciós faktorok alkotják.
Ezek számos hideg által szabályozott, úgynevezett COR-gén működését hangolják
össze. A létrejövő fehérjék és anyagcsere-változások többek között a membránok
stabilitását és a fagyási kiszáradás elviselését javítják (Thomashow 1999).
Különösen fontos a
sejthártya átalakítása. Erős kiszáradáskor a membrán rétegei közel kerülnek
egymáshoz, kedvezőtlen szerkezeti átmenetek és összetapadások alakulhatnak ki,
felengedéskor pedig a hirtelen vízvisszaáramlás szakíthatja meg a
folytonosságukat. A hideghez edződő növény módosítja membránlipidjeinek
összetételét, így azok alacsony hőmérsékleten is rugalmasabbak, a
fagyás–olvadás során pedig kevésbé válnak áteresztővé (Steponkus & Lynch
1989).
Cukrok, aminosavak és
más kis molekulák is felszaporodhatnak. Ezek növelik a sejtnedv
oldottanyag-koncentrációját, megkötik a vizet, és közvetlenül is védhetik a
fehérjéket vagy membránokat a kiszáradással szemben. Egy részük a jégképződés
hőmérsékletét is kissé csökkenti, de nem úgy működik, mint az autók
hűtőfolyadéka: a növény nem tud pusztán sok cukorral −80 °C-ig folyékony
maradni. A rekord több, egymásra épülő szerkezeti és élettani megoldás
eredménye (Xin & Browse 2000).
A felengedés legalább
olyan lényeges, mint a lehűlés. Ha a sejten kívüli jég elolvad, a víz
visszaáramlik a sejtekbe; túl gyors változásnál a membránok és a sejttérfogat
szabályozása nem tud lépést tartani. Az ismételt fagyás–olvadás újra és újra
végrehajtatja ezt az ozmotikus ingamozgást. A fás növény vízszállító edényeiben
a fagyás közben oldatból kiváló gázok felengedéskor buborékokat képezhetnek, és
tartós légzárat, embóliát okozhatnak (Pearce 2001; Steponkus & Lynch 1989).
Az aktív, nyári levelek
között jóval szerényebbek, de ökológiailag talán érdekesebbek a számok.
Harminchárom alpesi faj élőhelyén végzett fagyasztási kísérletében az a
hőmérséklet, amely a levélfelület felét károsította, −4,5 és −14,6 °C között
változott. Valamennyi vizsgált faj elviselt bizonyos mennyiségű sejten kívüli
jeget; a jégképződés átlagosan már −1,9 °C körül megindult, a súlyos sérülés
azonban csak jóval később következett be (Taschler & Neuner 2004).
Ebben az alpesi
összehasonlításban a havasi perje, a Poa
alpina bizonyult a legellenállóbbnak: nyári leveleinek LT50-értéke −14,6 °C
volt. Az LT50 nem abszolút túlélési minimum, hanem az a kezelési hőmérséklet,
amelynél a mért levélkárosodás elérte az ötven százalékot. A pázsitfüvek
csoportja összességében is fagytűrőbbnek bizonyult a vizsgált többi növekedési
formánál. Ez működő, nyári levelek teljesítménye, ezért közvetlenebbül jelzi a
tenyészidőszaki fagyokkal szembeni ellenállást (Taschler & Neuner 2004).
Még hidegebbet viselnek
el az Antarktisz természetes edényes növényei. A King George-szigeten, a
növekedési időszakban végzett terepi vizsgálatban az antarktiszi szegfűféle (Colobanthus quitensis) átlagos
LT50-értéke −15,3 °C, az antarktiszi sédbúzáé (Deschampsia antarctica) pedig −22,8 °C volt. Mindkét faj leveleiben
jóval enyhébb hidegben megindult a jégképződés, mint ahol a súlyos károsodás
bekövetkezett, vagyis valódi fagytűréssel, nem pusztán a jég elkerülésével
védekeztek (Sierra-Almeida et al. 2018).
A −22,8 °C-os
antarktiszi levél és a −196 °C-ot túlélt vessző között nem százhetven foknyi
„minőségi különbség” van. A levél fényt fog fel, gázcserét végez, vizet
párologtat és rugalmas sejtfalú, vízzel telt sejteket tart működésben. A téli
vessző ezzel szemben nyugalomban van, részben víztelenedett és hosszú
hidegedzésen ment át. Az aktív levél rekordja ezért nem kisebb teljesítmény,
hanem más feladat megoldása.
A teljes növény
túlélésében a mikroélőhely is részt vesz. A hó rossz hővezető, ezért vastag
takarója alatt a talajközeli hajtások hőmérséklete jóval kevésbé szélsőséges,
mint a szabad levegőé. Az alacsony termet, a párnaszerű növekedés, a
talajfelszínhez simuló levelek és a föld alá húzott áttelelő rügyek mind
csökkentik a tényleges hidegterhelést. Ezek a növények nem feltétlenül emelik a
sejtek laboratóriumi tűréshatárát; inkább elkerülik, hogy a legérzékenyebb
részek elérjék azt.
A fagyállóság tehát
gyakran két részből áll: szövettűrésből és fagyelkerülésből. Egy hegyi évelő
elveszítheti minden föld feletti levelét, de talaj alatti rügyeiből tavasszal
újrahajthat. Egy fa rügye túlhűléssel védheti a következő évi virágokat, miközben
kérge és vesszője a sejten kívüli jeget tolerálja. Ha csak egy levél
barnulását, egy rügy kihajtását vagy a teljes egyed fennmaradását mérjük,
ugyanarról a növényről eltérő „fagyhatárt” kaphatunk.
A hideghez szokás
visszafordíthatósága különös éghajlati paradoxont okoz. Az antarktiszi terepi
kísérletben az átlagosan mindössze 1 °C-kal melegebb környezet két
tenyészidőszak után csökkentette mindkét faj fagyállóságát. A Colobanthus quitensis LT50-értéke
átlagosan 2 °C-kal, a Deschampsia
antarctica értéke 2,8 °C-kal tolódott a kevésbé hideg tartomány felé. A
melegedés tehát önmagában nem szünteti meg a fagykárt: gyengítheti az
edzettséget, miközben a hideg éjszakák továbbra is előfordulnak (Sierra-Almeida
et al. 2018).
Ugyanezért veszélyesek a
téli meleg periódusok és a korai tavaszok. A rügyek nyugalma feloldódik, a
szövetek víztartalma nő, megindul a növekedés, és gyorsan csökken a korábban
megszerzett fagytűrés. Egy januári vessző laboratóriumi rekordjából ezért nem
lehet megjósolni ugyanazon fa virágainak áprilisi biztonságát. A
gyümölcstermesztésben gyakran nem a tél legalacsonyabb hőmérséklete, hanem a
virágzás után érkező néhány fokos fagy okozza a legnagyobb termésveszteséget
(Xin & Browse 2000).
A termesztett növények
fagyállóságának nemesítésekor ezért a hidegedződés gyorsasága, a téli maximális
tűrés és a tavaszi visszaedződés képessége egyaránt fontos. A CBF-szabályozás
mesterséges fokozása kísérletekben növelheti a fagytűrést, de a tartósan
bekapcsolt stresszválasz lassíthatja a növekedést. A gazdaságilag hasznos
növénynek nem elég életben maradnia: a megfelelő időben fejlődnie, virágoznia
és termést érlelnie is kell. A rekordbajnok mechanizmusának átvitele ezért
több, mint egyetlen „fagygén” beépítése (Thomashow 1999).
A folyékony nitrogénes kísérleteknek
gyakorlati rokona a növényi krioprezerváció. Magokat, hajtáscsúcsokat,
embriókat vagy tenyésztett sejteket úgy készítenek elő a nagyon mély hűtésre,
hogy kevés legyen bennük a veszélyesen kristályosodó víz. A tárolás közben az
anyagcsere gyakorlatilag leáll, így a genetikai anyag igen hosszú ideig
megőrizhető. A siker itt sem a −196 °C „elviselésén” múlik önmagában, hanem az
előkészítésen, a hűtési útvonalon és a szabályozott felengedésen – ugyanazon a
felismerésen, amelyet Sakai vesszőkísérletei látványosan bemutattak (Sakai
1960).
A fagy dobogóján így
több győztesnek van helye. A nyugalmi fás szövetek laboratóriumi rekordját az
amerikai rezgőnyár, a balzsamnyár, a papírnyír és az amerikai vörösfenyő
képviseli: edzett vesszőik megfelelő előfagyasztás után −196 °C-ot is túléltek.
A növekedési időszak aktív levelei között a vizsgált alpesi fajok bajnoka a
−14,6 °C-os LT50-értékű havasi perje, az antarktiszi edényes növények közül
pedig a −22,8 °C-os átlagot mutató antarktiszi sédbúza emelkedik ki (Sakai
& Weiser 1973; Sierra-Almeida et al. 2018; Taschler & Neuner 2004).
A legmélyebb hőmérséklet
tehát önmagában félrevezető rekord. A növényi fagytűrés lényege a víz térbeli
és időbeli irányítása: hol kezdődjön a jégképződés, mennyi víz hagyja el a sejtet,
hogyan maradjon ép a membrán, és milyen ütemben térjen vissza a víz
felengedéskor. A −196 °C-ot túlélő vessző nem dacol a fizika törvényeivel.
Éppen ellenkezőleg: olyan pontosan igazodik a víz fagyásának fizikájához, hogy
a sejt belsejében elkerüli a legveszélyesebb eseményt, a jégkristályok pusztító
növekedését.
Irodalom
Pearce R. S. (2001): Plant freezing and damage.
Annals of Botany 87: 417–424. https://doi.org/10.1006/anbo.2000.1352
Sakai A. (1960): Survival of the twig of woody
plants at −196° C. Nature 185: 393–394. https://doi.org/10.1038/185393a0
Sakai A. & Weiser C. J. (1973): Freezing
resistance of trees in North America with reference to tree regions. Ecology
54: 118–126. https://doi.org/10.2307/1934380
Sierra-Almeida A., Cavieres L. A. & Bravo L.
A. (2018): Warmer temperatures affect the in situ freezing resistance of the
Antarctic vascular plants. Frontiers in Plant Science 9: 1456.
https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01456
Steponkus P. L. & Lynch D. V. (1989):
Freeze/thaw-induced destabilization of the plasma membrane and the effects of
cold acclimation. Journal of Bioenergetics and Biomembranes 21: 21–41.
https://doi.org/10.1007/BF00762210
Taschler D. & Neuner G. (2004): Summer frost
resistance and freezing patterns measured in situ in leaves of major alpine
plant growth forms in relation to their upper distribution boundary. Plant,
Cell & Environment 27: 737–746.
https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2004.01176.x
Thomashow M. F. (1999): Plant cold acclimation:
Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. Annual Review of Plant
Physiology and Plant Molecular Biology 50: 571–599.
https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.50.1.571
Xin Z. & Browse J. (2000): Cold comfort farm: The acclimation of plants to freezing temperatures. Plant, Cell & Environment 23: 893–902. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2000.00611.x
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése