Az őszi kalászosok hőstressztűrésének tanulmányozása

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Biológia Doktori Iskola, Kísérletes Növénybiológia Doktori Program

Az őszi kalászosok hőstressztűrésének tanulmányozása

Ph.D. értekezés Készítette: Balla Krisztina Témavezetők: Dr. Veisz Ottó az MTA doktora, ügyvezető igazgatóhelyettes Dr. Karsai Ildikó az MTA doktora Biológia Doktori Iskola vezetője: Dr. Erdei Anna Programvezető: Dr. Szigeti Zoltán Magyar Tudományos Akadémia Mezőgazdasági Kutatóintézet Martonvásár 2011

TARTALOMJEGYZÉK RÖVIDÍTÉSEK

5

1. BEVEZETÉS

6

2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS

8

2.1. A globális klímaváltozás

8

2.2. A magas hőmérséklet és a szárazság hatása a produkcióbiológiai tulajdonságokra 2.2.1. Az abiotikus stresszek és az egyedfejlődés viszonya 2.2.2. A biomassza és terméshozam alakulása magas hőmérsékleten 2.2.3. A magas hőmérséklet és a szárazság hatása a szemtermés minőségére

12 12 13 15

2.3. A magas hőmérséklet és szárazságstresszre adott növényi válaszreakciók 2.3.1. A magas hőmérséklet és a búza fiziológiai folyamatai 2.3.2. A magas hőmérséklet és az antioxidáns enzimrendszer

17 17 21

3. CÉLKITŰZÉSEK

23

4. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK

24

4.1. Kísérletben vizsgált fajták 4.1.1. Fajták leírása 4.1.2. A Plainsman V. x Mv Magma dihaploid populáció

24 24 25

4.2. Kísérletek leírása

25

4.2.1. Fiatalkori és felnőttkori fejlődési stádiumban alkalmazott hőstressz hatásának vizsgálata

25

4.2.1.1. Eltérő hőkezelések hatásának tanulmányozása a szemtermés mennyiségére és minőségére 4.2.1.1.1. Növénynevelési feltételek 4.2.1.1.2. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása 4.2.1.1.3. A szemtermés minőségének meghatározása

25 25 26 26

4.2.1.2. Különböző tűrőképességű genotípusok élettani folyamatainak vizsgálata fiatalkori és felnőttkori hőstressz során 4.2.1.2.1. Növénynevelési feltételek 4.2.1.2.2. Az antioxidáns enzimrendszer vizsgálata 4.2.1.2.3. Enzimaktivitás mérése

27 27 28 28

4.2.2. Szemtelítődéskori hőstressz és szárazság hatása a kalászosokra 4.2.2.1. Növénynevelési feltételek 4.2.2.2. A klorofilltartalom vizsgálata 4.2.2.3. A klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm paraméterének mérése 4.2.2.4. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása 4.2.2.5. A szemtermés minőségének meghatározása

29 29 30 30 30 31 2

4.2.3. A hőtűrési tulajdonságok összefüggés-vizsgálata hasadó búzapopulációban 4.2.3.1. Növénynevelési feltételek 4.2.3.2. A klorofilltartalom vizsgálata 4.2.3.3. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása 4.2.3.4. A csírázási képesség vizsgálata 4.2.4. Alkalmazott statisztikai próba 5. EREDMÉNYEK

31 31 31 32 32 32 33

5.1. Különböző fejlődési stádiumokban alkalmazott hőstressz hatásának tanulmányozása a szemtermés mennyiségi és minőségi összetevőire 33 5.1.1. A fiatalkori és felnőttkori hőstressz és a produkcióbiológiai tulajdonságok 5.1.2. A vizsgált őszibúzafajták termésparamétereinek változása 5.1.3. A hőstressz hatása a szemtermés minőségére 5.1.4. A terméshozam és minőség korrelációs összefüggései 5.2. Az antioxidáns enzimaktivitás változása fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására őszi búzáknál

33 35 37 40 42

5.2.1. A fiatalkori hőstressz hatása a kalászolás idejére és a hajtásszám változására 5.2.2. A glutation-reduktáz antioxidáns enzim aktivitása 5.2.3. A glutation-S-transzferáz antioxidáns enzim aktivitása 5.2.4. A guajakol-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitása 5.2.5. Az aszkorbát-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitása 5.2.6. A kataláz antioxidáns enzim aktivitása 5.2.7. Az antioxidáns enzimaktivitások változásának összehasonlítása 5.2.8. Az antioxidáns enzimek aktivitásváltozása közti korrelációanalízis

42 42 44 45 45 46 47 48

5.3. Szemtelítődés idején bekövetkező hő- és szárazságstressz hatásának vizsgálata

50

5.3.1. A vizsgált fajták kalászolási jellemzői 5.3.2. A klorofilltartalom változása kezelések hatására 5.3.3. A stressz hatása a PSII maximális kvantumhatásfokára 5.3.4. A biomassza és terméshozam változása stresszkezelések hatására 5.3.5. A szemtermés minőségének vizsgálata 5.3.5.1. A keményítő szemcseméretének módosulása 5.3.5.2. A szemek fehérjetartalmának és fehérje-összetételének változása

50 51 54 56 59 59 60

5.4. Dihaploid populáció hőtűrésének vizsgálata korai embriófejlődési stádiumban

63

5.4.1. A produkcióbiológiai tulajdonságok változása hőstressz hatására 5.4.2. A produkcióbiológiai paraméterek közti korrelációs összefüggések vizsgálata 5.4.3. A hőstresszkezelt dihaploid vonalak csírázási képességének vizsgálata

63 67 68

6. EREDMÉNYEK MEGVITATÁSA

70

6.1. Eltérő fejlődési stádiumban alkalmazott stresszkezelések hatása a szemtermésre

70

6.2. Az antioxidáns enzimrendszer változása fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására

73

6.3. Szemtelítődéskori hő- és szárazságstressz fiziológiai hatásának vizsgálata

76

6.4. A hő- és szárazságstressz hatása a termésre szemtelítődés alatt

78

6.5. Dihaploid populáció hőtűrésének vizsgálata korai embriófejlődési stádiumban

81 3

7. EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA

84

7.1. A hőstressz hatása különböző fenofázisokban

84

7.2. Az antioxidáns enzimek szerepe a hőtűrésben

85

7.3. A magas hőmérséklet és a szárazság hatásának vizsgálata

86

7.4. A hőstressz vizsgálata hasadó búzapopulációban

86

8. SUMMARY

88

9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

89

10. FELHASZNÁLT IRODALOM

90

11. FÜGGELÉK

102

4

RÖVIDÍTÉSEK AG %

Albumin-globulin %

APx

Aszkorbát-peroxidáz

CAT

Kataláz

CDNB

1-klór-2,4-dinitro-benzoesav

df

Szabadságfok

DTNB

5,5´-ditio-bis-(2-nitro-benzoesav)

Fv/Fm

Változó fluoreszcenciának a maximum fluoreszcenciához viszonyított aránya

F0

Alap fluoreszcencia

Glu/Gli

Glutenin-gliadin arány

GPx

Guajakol-peroxidáz

GR

Glutation-reduktáz

GSH-S-Tr.

Glutation-S-transzferáz

IPCC Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (Intergovernmental Panel on Climate Change) LHCII

Kettes fotorendszer fénygyűjtő komplexe (Light Harvesting Complex)

MSQ

Átlagos négyzetes eltérés

PAM

Pulse Amplitude Modulated Fluorometer

POX

Nem specifikus peroxidázok

ppb

Milliárdomodrész (parts per billion)

ppm

Milliomodrész (parts per million)

PSII

Kettes fotorendszer (photosynthetic system II)

Rubisco

Ribulóz-1,5-biszfoszfát karboxiláz/oxigenáz enzim

SE-HPLC

Size exclusion high performance liquid chromatography

UPP %

Oldhatatlan polimer fehérje % (Unextractable Polimer Protein %)

5

1. BEVEZETÉS A kalászos gabonák a legjelentősebb növényfajok közé tartoznak a világban és hazánkban is. Köztük a búza (Triticum aestivum L.) az emberiség egyik legrégebb óta termesztett növénye. Termesztését már Mezopotámia legrégebbi leletei is igazolják. A búza mezőgazdaságilag kiemelkedően fontos növény, a népélelmezésben elfoglalt szerepén túl sokrétű felhasználás jellemzi, ugyanis gazdag abraktakarmány, szalmája értékes alomanyag és különböző részei ipari alapanyagként is felhasználhatók. A világ sok más országához hasonlóan Magyarországon is a legfontosabb gabonaféle. Fontosságát az is mutatja, hogy a búza az egyik legnagyobb területen termesztett növény. Az összes vetésterülete a ’90-es években 230-240 millió hektár volt, de mára a termesztésbe vonható területek nagysága csökkenő tendenciát mutat, míg a Föld lakossága egyre inkább növekszik. A világ búza termőterülete 2004-ben 218 millió ha-ra esett vissza. Hazánk búza vetésterülete és termésátlaga is ingadozást mutat. 2010-ben a kalászos gabonák betakarított területén 1,5 millió hektáron, a 2009. évinél 11 %-kal kisebb területen, 5,3 millió tonna kalászos gabona termett. Ezen belül búzából 2010-ben az egy évvel korábbinál 12 %-kal kisebb területről (1 millió 11 ezer hektárról) 15 %-kal kevesebb, közel 3,8 millió tonna termést takarítottak be; a termésátlag 3720 kg/ha volt. A mezőgazdaságnak lépést kell tartania a Föld lakosságának robbanásszerű növekedésével, hogy biztosítani tudja a megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszer és nyersanyag előállítását. Ugyan a búza könnyen alkalmazkodik a különböző ökológiai feltételekhez, de ahhoz, hogy a termésmennyisége és minősége megfelelő legyen, több tényezőnek együttesen kell érvényesülni. Az őszi gabonafélék közül az őszi árpához, illetve a rozshoz viszonyítva az őszi búza nagyobb vízigényét és jobb talajigényét, valamint a folyamatos vízellátását a kolloidokban, humuszban gazdagabb, mélyebb rétegű, nagyobb víztároló képességű talajok képesek biztosítani. Meghatározó jelentőséggel bír a tápanyagellátás is. A növények a termésképzéshez szükséges tápanyagok egy részét a talaj tápanyagkészletéből, jelentős hányadát pedig a különböző trágyákból veszik fel. Mindezek mellett a növényvédelem és az agrotechnikai beavatkozások minősége is fontos a bő terméshozam és a jó termésminőség kialakításában. Tehát a jó genetikai termőképesség csak megfelelő termesztéstechnológia és környezeti viszonyok esetén használható ki. Annak ellenére, hogy a búza a szélsőséges körülményeket is elviseli, az időjárási tényezők, elsősorban a csapadék mennyisége és a hőmérséklet alakulása jelentősen befolyásolhatják a termeszthetőségét. A globális klímaváltozás egyre növekvő mértékben kihat a mezőgazdaságra és a növénytermesztésre is. A magyarországi átlaghőmérséklet növekedése majdnem másfélszer gyorsabb a globális klímaváltozás mértékénél. A hirtelen 6

lezúduló csapadék és erős felmelegedés komoly károkat okozhat a búzatermesztés területén. A 2010-es év kedvezőtlenebb terméseredményei is az év közepi kedvezőtlen, csapadékos időjárásnak voltak köszönhetőek. A magasabb átlaghőmérséklet felgyorsítja a növények fejlődését, mely a növénytermesztésben rövidebb vegetációs periódust eredményez. A gabonafélék érése alatti hőségnapok számának emelkedése – amellett, hogy jelentős terméskiesést okozhat – nagymértékben rontja a liszt sütőipari minőségét is. Az őszi búzában a virágzás utáni magas hőmérsékletek a szemtelítődés mértékének a csökkenését és ennek következtében jelentős termésveszteséget idéznek elő. A növénynemesítés lényege a jobb termelési értékű, az emberi szükségletnek és igényeknek jobban megfelelő, új növényfajtáknak az előállítása és fenntartása. A legfőbb igények közé tartoznak az előnyösebb mennyiségi, minőségi (beltartalmi) és agronómiai (pl. koraiság) tulajdonságok, valamint a környezeti stresszhatásokkal (biotikus vagy abiotikus) szembeni nagyobb ellenállóképesség. A legtöbb nemesítő célja a gazdaságos terméshozam elérése és a minőség fokozása. Munkánk során egyik legfontosabb hazai szántóföldi növényünket, az őszi búza stressztűrőképességét vizsgáltuk kontrollált kísérletek beállításával. Vizsgálataink célja annak meghatározása volt, hogy a magas hőmérséklet és/vagy szárazság hatása milyen összefüggésben van a különböző fejlődési stádiumban kezelt őszi búzák termésbiológiai és élettani jellemzőinek alakulásával. A fitotronban végzett vizsgálatok lehetővé tették az egyszerű és kombinált kezelés formájában a szélsőséges időjárási elemek őszi búzára kifejtett hatásának tanulmányozását. Ezek a kontrollált körülmények között végzett kísérletek mind hozzájárultak az abiotikus stressztényezők által kiváltott élettani, termésmennyiségi és beltartalmi hatások tanulmányozásához és a velük szemben ellenálló genotípusok létrehozásához.

7

2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1. Globális klímaváltozás A globális felmelegedést a klímaváltozás részeként korunk egyik legfenyegetőbb természeti katasztrófájának tekintik az egész világon. Klímaváltozás történhet a Földön végbemenő természetes folyamatok (pl. a földrészek tektonikus mozgása) eredményeképpen, vagy az emberi tevékenység folytán (pl. az üvegházhatást okozó gázok termelése). Ma már valószínű, hogy e két tényező együttesen érvényesül és kölcsönösen felerősítik egymás hatását. A globális felmelegedés következménye a szélsőséges időjárási események számának és intenzitásának növekedése, ami a globális vagy regionális klíma megváltozását eredményezheti. A Föld légkörének összetétele sokat változott az elmúlt négymilliárd év során, főleg az élővilág evolúciójának eredményeként. Míg ezek a változások korábban hosszú idő alatt mentek végbe, addig az utóbbi két évszázadban az emberi tevékenység felgyorsította azokat. Az üvegházhatás lényege, hogy az üvegházgázok a légkörbe belépő, és zömmel a látható fény tartományába eső napsugarakat nem nyelik el, a földfelszínről visszavert, nagyobb hullámhosszú infravörös sugárzás egy részét viszont igen. Ez a hőenergia az alsó légrétegekben marad. Ahogy nő az üvegházi gázok koncentrációja, úgy egyre kevesebb hő távozik a világűrbe, az alsó légkör és a földfelszín pedig egyre inkább felmelegszik. A legfontosabb üvegházi gázok: a szén-dioxid (CO2), a metán (CH4), a dinitrogén-oxid (N2O), a kén-hexafluorid (SF6), a halogénezett szénhidrogének (CFC-k), és az alsólégköri (troposzferikus) ózon. Ezeknek a különböző üvegházhatású gázoknak a kibocsátása és a légkörbe jutása lényegesen növekedett az ipari forradalom óta (1. ábra). Az üvegházhatású gázok koncentrációja 0-tól 2005-ig Szén-dioxid (CO2) Metán (CH4) Dinitrogén-oxid (N2O)

Év

1. ábra Az üvegházhatású gázok (szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid) légköri koncentrációja az elmúlt 2000 évben ppm vagy ppb: az üvegházhatású gázok aránya a száraz levegő összes molekulájában (Forrás: IPCC, 2001. évi jelentés) 8

Az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) jelentései is megerősítették, hogy a Föld légkörének összetétele az utóbbi időkben folyamatosan változik (IPCC 2001. évi jelentés; IPCC 2007. évi jelentés). A szén-dioxid globális légköri koncentrációja 2005-ben jóval túllépte az elmúlt 650000 év természetes 180 és 300 ppm közötti tartományát. A CO2 légköri koncentrációja az iparosodás előtti 280 ppm értékről 2005-re 379 ppm-re nőtt (1. ábra). Ez az érték az előrejelzések alapján továbbra sem csökken, sőt az elmúlt 10 évben a CO2 éves növekedési üteme magasabb (1995–2005-ös átlagban 1,9 ppm/év) volt, mint a légköri mérések kezdete óta eltelt teljes időszakban (1960–2005-ös átlagban, 1,4 ppm/év; IPCC, 2007). Nemzetközi adatok és különböző modellek szerint a legegyöntetűbb változások mégis a hőmérséklet-növekedés tendenciájában tapasztalhatók (2. ábra). A IPCC negyedik értékelő jelentése (2007) egyértelműen kijelenti, hogy az emberi tevékenység által kibocsátott üvegházhatást okozó gázok váltják ki a globális felmelegedést. A Föld felszíni hőmérsékletének változásai Hőmérsékleti ingadozások oC-ban (1961-1990 átlagához viszonyítva)

(a) az elmúlt 140 év (globális)

Direkt hőmérsékletek

Hőmérsékleti ingadozások oC-ban (1961-1990 átlagához viszonyítva)

(b) az elmúlt 1000 év (északi félteke)

Direkt hőmérsékletek Becsült adatok

2. ábra A Föld felszíni hőmérsékletének változásai az elmúlt 140, illetve az elmúlt 1000 évben (Forrás: IPCC, 2001. évi jelentés) (a) A piros oszlopok a Föld felszíni hőmérsékletének változását évrő évre, a fekete vonal körülbelül évtizedről évtizedre mutatja (b) A kék görbe évről évre, a lila görbe az 50 éves átlagnak az északi félteke átlagos földfelszíni változásait rekonstruálja az elmúlt 1000 évben becsült adatokból és kalibrált termométer adataiból

A felmérések kimutatták, hogy 1950 és 2003 között a Föld felszínének átlaghőmérséklete 13,87 °C-ról 14,52 °C-ra növekedett. Ha viszont az elmúlt 100 évet vesszük figyelembe (1906– 2005), a globális átlaghőmérséklet már 0,74 oC-al [0,56–0,92] magasabb, mint a korábbi IPCC 9

2001. évi jelentésében az 1901–2000-es időszakra vonatkozó 0,6 oC [0,4–0,8] értékű trend. Az előjelzések alapján, ha az üvegházhatást okozó gázok világméretű kibocsátása úgy növekszik a jövőben is, mint jelenleg, bolygónk átlaghőmérséklete az évszázad végére valószínűleg 1,8– 4,0 ºC-kal fog megemelkedni a maihoz képest. Gyakrabban fordulnak elő erős esőzések, trópusi ciklonok, illetve gyakoribbak a hőhullámok, amelyek az aszályos térségek területének további növekedését eredményezik. Az országos szintű felmérések is azt mutatják, hogy a globális felmelegedés hazánkat sem kíméli (VAHAVA Összefoglalás, 2006). Magyarország éghajlatát a mediterrán, óceáni és kontinentális klíma együttesen határozza meg. Ezek, a Kárpát-medence domborzati hatásaival együttesen, meglehetősen változékony éghajlatot eredményeznek (Bartholy és Pongrátz 2008). Így hazánkban az átlaghőmérséklet emelkedéséhez a globális szintű hatások mellett még a természetes adottságok által kiváltott időjárási szélsőségek is hozzájárulnak, amik tovább erősítik a felmelegedés hatását. A mérések alapján, éves szinten a globális átlaghőmérséklethez viszonyítva nagyobb felmelegedési átlagértékek (0,77 oC) fordulnak elő a Kárpát-medence területén, ami azonban évszakonként változó mértékben jelentkezik. Amíg a telek és a tavaszok döntően az éves átlagnak megfelelő ütemben melegszenek, addig a nyarak jobban (mintegy 1 °C), az őszök kevésbé (0,4–0,5 °C) követik az átlagos melegedés mértékét. Növekszik a nyári hőségnapok száma is, ami jelentős hatással van a környezetre és az élővilágra. Mára az időjárásban fellépő szélsőségek részben az optimális hőmérséklettől eltérő erőteljes fluktuációkban mutatkoznak meg, nem kis gondot okozva a mezőgazdaságban. A szélsőségek még hatványozottabban képesek megnyilvánulni, például ha az extrém hőmérséklethez még szárazság is társul, ami hazánkban viszonylag gyakori a vegetációs időszakban. Az éves csapadékmennyiség a XX. században csökkent (Bartholy és Pongrátz 2007). Az őszi és a téli csapadékcsökkenés 12– 14 %-os. A jelentősebb csökkenések leginkább a tavaszi csapadékösszegekben mutatkoztak meg. Ennek ellenére előfordult, hogy április végén, május elején a magas hőmérséklet, vagy éppen a túl sok csapadék (pl. 2010 tavasza) okozott problémát a gabonák korábbi fejlődési szakaszában. A nyári időszakok csapadékmennyisége a korábbi évekhez képest számottevően nem változott (száraz nyarak eddig is voltak), viszont a fokozatosan emelkedő nyári hőmérsékletekkel együtt fellépő szárazság már jelentősebb károkat okozhat a kalászos gabonafélék termésfejlődésének és a szemtelítődésének időszakában. A

magasabb

átlaghőmérséklet

felgyorsítja

a

növények

fejlődését,

melynek

a

növénytermesztésben rövidebb vegetációs periódus, terméskiesés lesz a következménye. Ha már a vegetációs időszak elején kevesebb csapadék esik, a talaj felső rétege nem telítődik vízzel, akkor jelentős terméscsökkenés várható. Mindemellett problémát okoz az is, hogy a kevesebb csapadék 10

intenzívebben érkezik. Ez egyrészt a csapadék hasznosulását, vagyis a vízháztartást rontja, másrészt közvetlenül veszélyeztetheti a termés mennyiségét és minőségét. A kísérleteinket megelőző és az azt követő évek időjárása igazolja a Kárpát-medencében az előrejelzéseket, melyek szerint a klimatikus szélsőségek előfordulási gyakorisága fokozottan nő. Ezek a hatások a kalászos gabonafélék érési időszakában halmozottan jelentkezhetnek, befolyásolva a legfontosabb mezőgazdasági növénynek, a búzának a termését. Az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet fitotronja egyedülálló lehetőséget nyújt ahhoz, hogy a különböző stressztényezők (szárazság, hőstressz) növényekre kifejtett hatását egymástól függetlenül vagy kombinálva, kontrollált körülmények között tanulmányozni tudjuk. A Kalászos Gabona Rezisztencia Nemesítési Osztályon végzett feladatok közül az extrém magas hőmérséklet hatásának és a növények alkalmazkodóképességének különböző stressz-körülmények közötti vizsgálata hozzásegített a globális felmelegedés okozta hatások részletesebb megismeréséhez és megértéséhez. Ezen eredmények felhasználása a különböző nemesítési eljárások alkalmazásával pedig lehetőséget nyújt ellenállóbb fajták létrehozására és termesztésbe vonására.

11

2.2. A magas hőmérséklet és a szárazság hatása a produkcióbiológiai tulajdonságokra 2.2.1. Az abiotikus stresszek és az egyedfejlődés viszonya A növénytermesztés szempontjából a hőmérséklet és a víz a legfontosabb tényezők, melyek az egyedfejlődés során komoly határt szabhatnak a növények fennmaradásának, növekedésének és produktivitásának. A különböző fenofázisokban a növények eltérő érzékenységgel reagálnak a magas hőmérsékletre. A hőmérséklet emelkedése befolyásolja a növények fejlődését, melyet eleinte bizonyos szintig fokozni képes, majd azután csökkenti azt (Marcum 1998, Howarth 2005). A vízhiány összetett válaszreakciókat válthat ki a növények élettani folyamataiban és alkalmazkodóképességében, amit még egyéb tényezők is, mint a változó fényintenzitás (Csajbók és mtsai. 2007) vagy az extrém hőmérséklet (Jiang és Huang 2001, Barnabás és mtsai. 2008) jelentősen befolyásolhatnak. A magasabb hőmérséklet hatására felgyorsul a növények fejlődése, virágzása és érése, melyet a kalász hasban lévő állapotáig, kalászolásig, virágzásig és érésig eltelt napok számának szignifikáns csökkenése is alátámasztott (Rahman és mtsai. 2009). A zöld levélterület és a növényenkénti produktív hajtások száma jelentősen visszaesett a magas hőmérsékleti kezelés idején. Így a kalászonkénti szemszám, illetve a kisebb szemméret kialakulásáért a rövidebb fejlődési időszak tekinthető felelősnek, ami magas hőmérsékleten termésveszteséget is eredményez. A toleráns vonalak viszonylag nagy levélfelülettel rendelkeztek és hőstressz következtében is hosszabb fejlődési időszakkal voltak jellemezhetők. A reproduktív szakaszban a hőstressz rövid periódusai viszont jelentősen megnövelhetik a virágrügyek és kinyílt virágok abortációját, bár ebben nagy különbségeket lehet megfigyelni a fajok között (Young és mtsai. 2004). Ha a gabonaféléket a virágzás időszakában tesszük ki az extrém hőmérsékletnek, az káros hatással van a megtermékenyítésre és a szemek fejlődésére, ami csökkent terméshez vezet (Porter 2005). Magas hőmérsékleti körülmények között a korábbi kalászolás tekinthető előnyös tulajdonságnak, mert több zöld levél marad virágzáskor, ami kisebb terméscsökkenéshez vezet (Tewolde és mtsai. 2006). Továbbá a magas hőmérséklet a szemtelítődés folyamán befolyásolhatja a búzaszemek fizikai-kémiai tulajdonságait, változásokat okozva a liszt fehérje-összetételében (Wardlaw és mtsai. 2002). A búza vízigénye a szárba szökkenéstől a szemképződésig a legnagyobb, a kora tavaszi szárazság viszont a másodlagos gyökérzet optimális kifejlődése és egyidejűleg a bokrosodás akadályozottsága miatt hátrányos (Harmati 1987). A vízhiány késlelteti az oldalhajtások megjelenését és a megtermékenyülést, ezzel jelentős terméskiesést okoz (Mosaad és mtsai. 1995, Araus és mtsai. 2002). Szárazság hatására a növények kalászolása késik, csökken a biomassza és a 12

termésátlag. A vízhiányos időszakban a növények készleteket halmoznak fel a különböző szervekben, legtöbbször a szárban és a levélben, amelyeket vízhiány esetében újra tudnak mobilizálni a magképződésre (Chaves és mtsai. 2002). Összességében megállapíthatjuk, hogy a magas hőmérséklet és a szárazság rendkívül összetett válaszreakciókat képes kiváltani a növények anyagcserefolyamataiban, fejlődésük menetében. Többnyire nem külön-külön, hanem más stresszel együtt fordulnak elő. Kutatásaink részét képezi a szárazságstressz kalászosokra kifejtett hatásának vizsgálata is, mivel hazánk kimondottan ki van téve a magas hőmérséklet és a szárazság együttes előfordulásának a kalászos gabonák érési időszakában. A hőstressz egyik legfőbb következménye lehet a terméscsökkenés. Ennek mértéke függ attól is, hogy a növények az egyedfejlődés mely szakaszában vannak kitéve a magas hőmérsékletnek. Továbbá a növények megfelelő vízellátása a szárbaindulástól egészen a szemképződésig a legfontosabb, ami nélkül a terméshozamban súlyos mennyiségi veszteségek és minőségromlás léphet fel. Számos kutatás foglalkozik manapság a szemtelítődés időszakában a növényeket érintő stresszekkel. Miért? Mert ez az egyik legfontosabb szempont, a termés mennyiségének biztosítására, akár extenzív körülmények között is. 2.2.2. A biomassza és terméshozam alakulása magas hőmérsékleten A magas hőmérséklet a Kárpát-medencében leggyakrabban a kalászolást követő időszakban, az érés során okoz stresszhatást, csökkentve a termés mennyiségét. A szemfejlődés visszaesése erőteljesen függ a stressz mértékétől és attól, hogy milyen fejlődési stádiumban érte a stressz, ezáltal is befolyásolva a végleges terméshozamot. A magas hőmérséklet a szemfejlődés során az egyedi szemek súlyában okoz csökkenést (Randall és Moss 1990, Wardlaw 1994, Stone és Nicolas 1995b). A termésromlás sokkal jelentősebb, ha a stressz hirtelen következik be és a szemtelítődés korai szakaszában történik, mintha a növényeket fokozatosan, a szemtelítődés későbbi fázisában éri (Stone és Nicolas 1995a). A kevés eső és a magas hőmérséklet szemtelítődéskor a szántóföldön sokszor együtt fordul elő, az evapotranspiráció mértékének emelkedését és a növényekben vízhiányt okozva. A szemtelítődés a búzában három fő forrástól függ, a fotoszintézis által a levelekben és a szárban termelt asszimilátumoktól, az említett szerveken belül a raktározott szénhidrát és nitrogén összetevők mobilizációjától, vagyis a kalászba és a fejlődő szemekbe történő transzportjától, illetve a kalászban termelt asszimilátumoktól. A vízmegvonás hatására az új fotoszintetikus termékek létrehozása visszaesik, a levelek sztómakonduktanciájának és nettó CO 2 asszimiláció csökkenésének köszönhetően (Blum és mtsai 1988).

13

Plaut és mtsai. (2004) virágzás után 8 nappal szárazság-, majd hőstressznek (30/25 oC) tettek ki különböző búzafajtákat, vizsgálva a levelek, a szár és a kalász szárazsúlyának változását. Kísérletükben a vízhiány nem befolyásolta a szemek számát, míg a magas hőmérséklet szignifikánsan csökkentette azt. A szárazanyagok akkumulációjának mértéke jelentősen csökkent a szárazság hatására mindegyik vizsgált fajtában. Az ép növények vegetatív szerveinek (szár és levelek) szárazsúlya visszaesett a szemtelítődés folyamán, valószínűleg a fejlődő szemekbe történő nem strukturált szénhidrátok exportja miatt. A vízhiány és magas hőmérséklet hatására a szemekben a transzportált szárazanyagok relatív hozzájárulása viszont megemelkedett. A szárazság sokkal drasztikusabb csökkenést okozott az ezerszemtömegben és a kalászonkénti szemsúlyban, mint a 30/25 oC-os kezelés (Plaut és mtsai. 2004, Hassan 2006). Forróság hatására az öregedési folyamatok felgyorsulnak és a gabonaféléknél lerövidül a szemtermés kifejlődésének az ideje (Rahman és mtsai. 2009). Mikor a búzanövényeket 24/17 oC hőmérsékleten nevelték fel jó tápanyag és vízellátás mellett, a fő sikérfehérje transzkriptumokat virágzás után 8 nappal már jelezni tudták. A 37/17 oC-on felnevelt növények fehérje felhalmozása viszont korábban kezdődött meg, és jóval rövidebb ideig tartott (Altenbach és mtsai. 2002), ami alátámasztja, hogy a magas hőmérséklet felgyorsult szemfejlődést okoz. Szárazságérzékeny és szárazságtűrő búza genotípusok ivaros folyamatainak tanulmányozása során hisztológiai vizsgálatokkal igazolták, hogy a hő- és szárazságstressz hatására bekövetkező terméscsökkenés oka a megtermékenyülés elmaradásán és a korai terméselhaláson kívül az endospermiumba történő tartaléktápanyag-beépülés zavara volt (Barnabás és mtsai. 2008). A génexpressziós változások alapján megállapították, hogy a stressz a szénhidrát anyagcsere enzimjeit kódoló gének működését befolyásolta elsődlegesen. A búzában, 15 oC feletti hőmérsékletek a szemtelítődés folyamán 3–5 %/ oC végleges szemsúly csökkenést eredményezhetnek (Wardlaw és Wrigley 1994). Acevedo és munkatársai (1991) 4 %-os szemsúly visszaesést mutattak ki az átlagos léghőmérséklet egy

o

C-os

emelkedésével 17 és 24 oC közötti tartományban, a szemtelítődés időszakában. A biomassza mennyisége évjárattól függően 10–24 %-kal is csökkenhet az átlaghőmérséklet 1 oC-os emelkedésének következtében (Wheeler és mtsai. 1996). Az 5–8 oC-os átlaghőmérséklet emelkedés a virágzástól aratásig terjedő időszakban a nagyobb fokú sterilitás következtében számottevően csökkenti a szemek kalászonkénti számát. A virágzás előtti időszakban fellépő, 31 o

C-ot meghaladó hőmérsékleti értékek is csökkentik a termést és a szemszámot, valamint a harvest

indexet (Batts és mtsai. 1998, Kafi és Stewart 1998, Stone és Nicolas 1998). A búzában a szemsúly mellett a szemszám is érzékeny a hőstresszre, ugyanis éréskor a hőmérséklet

14

növekedésével a kalászonkénti szemek számában csökkenés figyelhető meg (Ferris és mtsai. 1998). Látható, hogy a magas hőmérséklet jelentős biomassza- és terméscsökkenést képes eredményezni. Számos kutatásban szántóföldi körülmények között vizsgálják a termés mennyiségének változását, melyet több tényező is együttesen befolyásolhat, melyek egyedi hatásait nem lehet elkülöníteni. Így nehéz a valós okok feltárása. Ezért is szükséges több fitotroni kísérlet beállítása, melynél szabályozott feltételekkel, több tényező együttes hatása kizárható és a feltett kérdések is könnyebben megválaszolhatók. 2.2.3. A magas hőmérséklet és a szárazság hatása a szemtermés minőségére A jó minőségű búza termesztésének alapfeltétele a megfelelő genetikai adottságokkal rendelkező fajta. Az őszi búzák egyes minőségi paramétereinek igen széles skálája figyelhető meg a nemesítési törzsekben. A széles genetikai variabilitást mutatja, hogy a fehérjetartalom 10–17 %, a sikértartalom 20–45 %, a szemkeménység 10–85, az esésszám 60–450, a farinográf érték pedig C2 és A1 értékek között változhat. Ezek a minőségbeli változások attól is függnek, hogy milyen a talaj, a tápanyagellátás, a növényvédelem és egyéb agrotechnikai beavatkozások minősége. Mindemellett azonban az időjárás az, ami jelentősen befolyásolja a szemtermés minőségét. A szemtelítődés alatt a búzát ért stressz még nagyobb lehet, mivel a szemtelítődés fázisának lerövidülését (Wardlaw és Moncur 1995), gyorsabb sejtelhalást és az aratási érettség korábbi bekövetkezését eredményezi (Altenbach és mtsai. 2003), ami a szemek fehérjeösszetételében és a keményítőszemcsék méret szerinti eloszlásában is számottevő változást idézhet elő. Az endospermium sejtek számától függ a szemekben felhalmozódó keményítő és fehérjék maximális mennyisége. Ezeknek a sejteknek a száma már a korai szemfejlődés időszakában meghatározottá válik, a végleges méretük kifejlődésére viszont a szemtelítődés mértéke és időtartama jelentős hatással van (Egli 1998). A szemtelítődés szorosan kapcsolódik a szárban tárolt tartalék tápanyagok felhasználásához. A virágzás előtt a szárban lévő asszimilátum tartalékok 10– 40 % között járulnak hozzá a végleges szemsúly kialakításához (Yang és Zhang 2006). A szárazság szemtelítődéskor, csökkentve a fotoszintézist, korai öregedést idéz elő és lerövidíti a szemtelítődési periódust, azonban képes fokozni az asszimilátumoknak a szárból a szemekbe történő újramozgósítását (Gebbing és Schnyder 1999, Plaut és mtsai. 2004). Ezzel szemben számos kutatás számol be, olyan eredményről, amelynél a szemtelítődés mértékére alig volt hatással a vízhiány (Altenbach és mtsai. 2003, DuPont és Altenbach 2003, Yang és Zhang 2006). A nagy termésveszteséget a keményítőtartalomnak a csökkenése okozza, mivel a gabonák szárazsúlyának több, mint 65 %-át a keményítő alkotja (Jenner 1994, Barnabás és mtsai. 2008). A 15

keményítő akkumulációja összhangban van a szemek szacharóztartalmával, a szacharóz-szintáz és más szintézisben fontos szerepet játszó enzimek aktivitásával (Yan és mtsai. 2008). Mindez arra utal, hogy a kevés szacharózkészlet és a keményítőszintézisben működő enzimek aktivitásának visszaesése a felelős a keményítő akkumulációjának csökkenéséért. A magas hőmérséklet alkalmazásakor az endospermium keményítőtartalmának csökkenő aránya a feltételezések szerint a keményítő bioszintézis reakcióút kulcsenzimének, a keményítő-szintáz hő általi inaktiválásának köszönhető (Denyer és mtsai. 1994, Labuschagne és mtsai. 2009). A keményítő funkcionális tulajdonságai, kiváltképpen a keményítőnek vagy a lisztnek a vízfelvevő képessége és a tészta formálhatósága az amilóz és amilopektin arányának megoszlásától és a keményítőszemcsék méret szerinti eloszlásától is függ (Labuschagne és mtsai. 2009). Az érés folyamán a keményítő endospermiumba való beépülésekor is számottevő változás megy végbe a keményítőszemcsék méretében és alakjában (Ellis és mtsai. 1998, Bechtel és mtsai. 1990, Stoddard 1999, Hurkman és mtsai. 2003). Az alacsony fényintenzitás is hatással lehet a különböző típusú keményítő granulumokra, jelentős visszaesést eredményezve a szemtermésben és a termés keményítőtartalmában. Szemtelítődés idején a B-típusú keményítőszemcsék (≤ 9,9 µm) jóval érzékenyebbek az árnyékolásra és a magas hőmérsékletre, mint az A-típusúak (> 9,9 µm) (Blumenthal és mtsai. 1995, Li és mtsai. 2008, Cai és mtsai. 2008, Li és mtsai. 2010). Több kutatás is alátámasztja, hogy a virágzás utáni magas hőmérséklet csökkentette a keményítőtartalmat és szignifikánsan befolyásolta a keményítő szemcseméret szerinti eloszlását a búzaszemekben (Panozzo és Eagles 1998, Viswanathan és Khanna-Chopra 2001, Chinnusamy és Khanna-Chopra 2003, Hurkman és mtsai. 2003, Zhao és mtsai. 2008). A B-típusú szemcsék száma csökkent a magasabb hőmérséklet hatására, míg az A-típusúak száma viszont emelkedett. A liszt tulajdonságai szoros kapcsolatban állnak a keményítőszemcsék eloszlásával (Soh és mtsai. 2006), a nagy keményítőszemcsék (Atípus) alacsonyabb csúcsú viszkozitással jellemezhetők, mint a kis granulumok (B-típus). Ezek a különbségek miatt a két típusú keményítőszemcse eltérően használható az élelmiszerek és nem élelmiszeripari termékek előállításánál. A fehérjék akkumulációja szintén változáson megy keresztül a stresszkezelések hatására. Az addig bioszintézisben és metabolizmusban aktívan részt vevő fehérjék akkumulációja a raktározó és a biotikus/abiotikus stressz elleni védelemben szerepet játszó fehérjék képzésének irányába tolódik el. A specifikus fehérjeválaszok attól függnek, hogy a magas hőmérséklet a szemtelítődés korai vagy középső fázisában hat-e (Hurkman és mtsai. 2009). Bizonyítást nyert, hogy a liszt fehérjetartalma szignifikánsan emelkedett a kenyérbúzában a hőstressz hatására (Bencze és mtsai. 2004, Labuschange és mtsai. 2009), ez más kutatások szerint is megfigyelhető jelenség volt 16

(Wrigley és mtsai. 1994, Corbellini és mtsai. 1997, Daniel és Triboï 2000, Hrušková és Švec 2009). A virágzás után adott N a termés csökkenése nélkül közvetlenül növelheti a szemek proteintartalmát, míg a virágzás után kapott hő és szárazságstressz a szemek protein tartalmának százalékban megadott növekedését, de a termés csökkenését okozhatja a keményítőprodukcióra kifejtett hatása révén (Bhullar és Jenner 1985, Cassman és mtsai. 1992, Fowler 2003). A fehérje-összetétel a sütőipari minőség egyik fő meghatározója, amire a különböző stresszek jelentős hatással vannak. A glutenin és a gliadin sikérfehérjék a tészta rugalmasság és nyújthatóság kialakításáért felelősek. Az albuminok és globulinok a tészta minőségének nem alapvető fontosságú meghatározói, jelentőségük a jó minőség kialakításában kisebb mértékű. Táplálkozási szempontból azonban fontosak a nagy mennyiségű esszenciális aminosav tartalmuk miatt. Néhány esetben már bebizonyosodott, hogy a gliadinok aránya növekszik a liszt fehérjetartalmának emelkedésével és a gluteninek arányának csökkenésével (Gupta és mtsai. 1992, Triboï és mtsai. 2003). A magas hőmérséklet hatására az albuminok és globulinok értéke nem emelkedett meg a megnövekvő proteintartalommal arányosan (Wieser és Seilmeier 1998, Gupta és mtsai. 1992, Triboï és mtsai. 2003). A tészta minőségének romlása a hőstressz hatására bekövetkező glutenin-gliadin arányban és a nagyméretű glutenin polimerek százalékában végbement csökkenésnek voltak köszönhetőek (Blumenthal és mtsai. 1994, Blumenthal és mtsai. 1995, Bencze és mtsai. 2004). A legtöbb vizsgálat szerint a magas hőmérséklet negatív hatással van a termés minőségére. A szemek keményítőtartalmának csökkenésén keresztül, a relatív fehérjetartalom fokozása ellenére, kedvezőtlenül képes befolyásolni a szemek glutenin, gliadin összetételét, ami a tészta minőségének romlását is eredményezheti. Ugyanakkor kevesebb információ van arra nézve, hogy a szemek összetételének módosulására a különböző magas hőmérsékleti kezelések hogyan hatnak. Ezért azt terveztük, hogy két fejlődési szakaszban, egyrészt bokorosodás végén-szárbaindulás elején a 30 oC-os hőmérsékletnek, illetve a szemtelítődés időszakában a 35 oC-ról 3 fokonként emelkedő hőstressznek kitett növények szemtermésén vizsgáljuk a fehérje-összetétel változását.

2.3. A magas hőmérséklet és szárazságstresszre adott növényi válaszreakciók 2.3.1. A magas hőmérséklet és a búza fiziológiai folyamatai A magas hőmérsékletek hatására hőstressz állapot alakul ki, aminek következtében vízellátottsági problémák, anyagcserezavarok jelentkezhetnek. Magasabb hőmérsékleten a membránkomponensek

mobilitása

fokozódik,

a

membránban

lokalizált

enzimek

és

membránkomponensek komplexe megbomlik, a lipoprotein kapcsolatok fellazulnak, ami a 17

katalitikus aktivitás megszűnéséhez vezet (Pethő 1997). A membránhoz kapcsolt energiaátalakítási folyamatok sérülnek, ami több reakciófolyamat hiányos működésén keresztül az anyagcsereutak károsodásához vezet (Blum és mtsai. 2001). Biokémiai és fiziológiai működésekben is felléphetnek zavarok. A magas hőhatás károsítja a fénybegyűjtésért, a fényenergia átalakításáért felelős rendszereket és növeli a fotorespiráció mértékét (Szigeti 1998, Bernacchi és mtsai. 2002). A reakciócentrumok reverzibilis inaktivációján túl a fénygyűjtő klorofill-fehérje komplex irreverzibilis módon leválhat a reakciócentrum magjáról és az oxigénfejlesztésért felelős vízbontó rendszer is károsodik (De Ronde és mtsai. 2004). Különböző kísérletek is kimutatták, hogy a kettes fotorendszer (PSII) erőteljesen hőlabilis (Havaux 1993, Havaux és Tardy 1996), az aktivitása nagymértékben, vagy részlegesen csökken magas hőmérséklet hatására (Mcdonald és Paulsen 1997, Bukhov és mtsai. 1999, Camejo és mtsai. 2005). Ugyanakkor képes a fokozatosan emelt hőmérséklethez akklimatizálódni (Law és CraftsBrandner 1999, Schapendonk és mtsai. 2007), mivel egy a kloroplasztiszban lokalizált hősokk fehérje megvédi a PSII-t a magas hőmérséklet okozta károsodástól (Heckathorn és mtsai. 1998). Mindezek a változások együttesen nemcsak a fotoszintézisre és a légzési folyamatokra vannak hatással, hanem a fotoszintetikus asszimilátumok szállítására is (Jiao és Grodzinski 1996). A fotoszintézis intenzitásának csökkenése szoros összefüggésben van az érés folyamán a levelekből a szemekbe transzlokálódó asszimilátumok mennyiségével. A magas hőmérséklet megváltoztatja a gabonák „source-sink” (forrás-felhasználó) egyensúlyát, befolyásolva ezzel a szemek megfelelő fejlődését, végül a terméshozamot (Reynolds és mtsai. 2005). Ezért sem mindegy, hogy a hőstressz milyen fejlődési fenofázisban éri a növényeket, például bokrosodás végén vagy korai szemfejlődés idején (Schapendonk és mtsai. 2007). A fokozatosan 38 oC-ra (napi három órán keresztül 3 napig) emelt hőmérséklet a bokrosodás végi fenofázisban erőteljes mértékben csökkentette a levél fotoszintézisét. Szemtelítődéskor hasonló hőkezelést alkalmazva nemcsak a fotoszintézis (source) csökkent, hanem a szemek fejlődése (sink) is, a felborult forrásfelhasználó egyensúlyi szint következtében. A fajtától és a fenofázis típusától függően 40–70 %kal csökkent a levelek fotoszintézise. A biomassza hozamban a hősokk hatása kifejezettebb volt a korai szemtelítődés idején, mint a bokrosodás végén (Schapendonk és mtsai. 2007). Bizonyítást nyert továbbá, hogy a gátolt nettó fotoszintézis korrelál az aktivált állapotú Rubisco enzim csökkenésével mind a C3 és C4 növényekben (Salvucci és Crafts-Brandner 2004). A PSII fotokémiai hatékonyságát az erős fényintenzitás és a hőstressz mellett a szárazság is jelentősen csökkenti. A szárazságstressz, eltérően a hőstressztől nem azonnal következik be, hanem fokozatosan és más stresszhatás megjelenésétől függően erősödik. A szárazság első hatása a sztómazáródáson keresztül hat a fotoszintézisre, ami az intercelluláris járatok CO 2 18

koncentrációjának csökkenését okozza. Ez váltja ki a fotoszintetikus folyamatok gátlását (Chaves és mtsai. 2002, Lawlor 2002, Balogh és mtsai. 2007). A sztómák bezáródása bekövetkezhet a levél turgorának csökkenése, valamint az alacsony légnedvesség tartalom hatására is, de a sztómazáródás kiváltásában a talaj víztartalmának nagyobb szerepe van, mint a levél vízállapotának. A fotoszintetikus aktivitás visszaesésének egyik oka a sztómák bezáródása, a másik oka a fotoszintézis negatív szabályozása, amely a szárazság, és/vagy a magas hőmérséklet együttes hatására következik be (Martinez és mtsai. 2003). A mérsékelten megemelt hőmérséklet gyorsítja az öregedést, csökkenti az életképes levelek élettartamát és a fotoszintetikus aktivitását (Camp és mtsai. 1982, Harding és mtsai. 1990). Az extrém magas hőmérséklet viszont már komolyan károsítja a fotoszintetikus apparátust és nagymértékben csökkenti a működőképességét különösen akkor, ha a stressz virágzás idején, vagy szemtelítődéskor történik (Kuroyanagi and Paulsen 1988). A közepes mértékben emelt hőmérséklet közvetlen hatással van a fotoszintetikus apparátusra, károkat okozva a ribulóz-1,5biszfoszfát karboxiláz/oxigenáz enzimben (Rubisco) és a tilakoid membrán komponensekben (Peoples és mtsai. 1980, Wardley és mtsai. 1984). A károk közvetetten is felléphetnek, a csökkent mértékű fehérje bioszintézis folyamatai által, vagy a sztómák nyílásának csökkenésével, befolyásolva ezzel a CO2 felvételt. Három hőmérsékleti rendszerben, 15/10 oC, 25/20 oC és 35/30 oC-os körülmények között, virágzás

után

vizsgálták

a

búza

zászlós

levelének

fotoszintetikus

aktivitását,

sztómakonduktanciáját, klorofilltartalmát, illetve tilakoid fehérjetartalmát (Xu és mtsai 1995). A legalacsonyabb hőmérsékleti kezelés (15/10 oC) váltotta ki a legkisebb változást a mérési paraméterekben. A fotoszintetikus aktivitás és a sztóma konduktancia a virágzás után 4 héten keresztül, a klorofill és a tilakoid fehérjetartalom pedig 5 héten át is stabil, állandó szinten tudott maradni az alacsonyabb hőmérsékleti kezelés hatására. A 35/30 oC viszont olyan mértékben gátolta a fotoszintetikus működést, hogy az egy-két héten belül teljesen összeomlott. A 25/20 oCos közepes hőmérséklet mérsékelt szintű károsodást okozott a növények fotoszintetikus működésében (Xu és mtsai 1995). Számos növényfaj esetében mutattak ki hasonló válaszreakciókat. A sztóma-konduktancia és a nettó fotoszintézis már a közepes hőmérséklet hatására blokkolódott a Rubisco enzim aktivációs állapotában bekövetkezett csökkenésnek köszönhetően (Crafts-Brandner és Salvucci 2002, Morales és mtsai. 2003). Az Fv/Fm, a változó fluoreszcenciának a maximum fluoreszcenciához viszonyított aránya, illetve az alap fluoreszcencia (F0) mind olyan fiziológiai paraméterek, amelyek szoros korrelációban állhatnak a hőtűrőképességgel (Yamada és mtsai. 1996). A megemelkedett klorofill a:b arány és a lecsökkent klorofill:karotionoidok aránya összefüggést mutatott a hőtűrőképeséggel 19

a paradicsom és cukornád hőtoleráns genotípusaiban (Camejo és mtsai. 2005, Wahid és Ghazanfar 2006). Megfigyelték, hogy a klorofill a és b molekulák lebomlása a kifejlett levelekben nagyobb mértékű volt, mint a fejlődő levelekben (Karim és mtsai. 1999). Ezenkívül a fotoszintetikus széndioxid asszimiláció mértéke sokkal kevésbé volt kifejezett a fejlődő levelekben, mint a teljesen kifejlett levelekben (Mcdonald és Paulsen 1997). Különböző árpafajtákban is sikerült kimutatni a klorofilltartalom és klorofill fluoreszcencia Fv/Fm paraméterének jelentős csökkenését, virágzást követően alkalmazott vízmegvonás hatására (Li és mtsai. 2006). Megállapították, hogy a szárazságtűrőbb genotípusok klorofilltartalma és Fv/Fm értéke szignifikánsan magasabb maradt a kezelést követően és ezzel párhuzamosan a terméshozamuk is jóval kisebb mértékben esett vissza, mint az érzékeny genotípusoké. Mivel a fotoszintetikus tulajdonságok vízhiányos körülmények között szoros kölcsönhatásban állnak a termés mennyiségének változásával, ezért a klorofill fluoreszcencia paramétert alkalmas indikátornak tartanák a jövőben a szárazságtűrő fajták szelektálására (Araus és mtsai 1998, Li és mtsai 2006). Szántóföldi kísérletben, meleg és öntözött környezetben a szemtelítődés folyamán szoros kapcsolatot mutattak ki a nettó fotoszintézis és a klorofilltartalomban bekövetkezett csökkenés között (Reynolds és mtsai. 2000). Korai fejlődési állapotokban (például hasban lévő kalász és virágzás) a nettó asszimilációban kapott különbségek függetlenek voltak a klorofilltartalomban kapott különbségektől. A nettó asszimiláció és a szemtermés között viszont korrelációs kapcsolat állt fenn. A hasban lévő kalász állapotában a virágzás és a szemtelítődés folyamán mért alacsonyabb

lombozati

hőmérséklet

szoros

kölcsönhatásban

állt

a

fajták

nagyobb

termőképességével. A lecsökkent lombozati hőmérséklet és a sztómakonduktancia között is szoros korreláció volt kimutatható (Amani és mtsai. 1996). A különböző stressztényezők hatására a fotoszintézis működésében bekövetkezett változások kutatása mára széles körben vizsgált terület, óriási irodalmi háttérrel. Általánosságban elmondható, hogy a növekedő hőmérséklet biokémiai reakciók gátlását, enzimek inaktivációját és denaturálódását váltja ki, komoly fotoszintézis csökkenéshez vezetve (Nakamoto és Hiyama 1999). A kapott kutatási eredmények nemcsak a különböző kalászos gabonák fotoszintetikus folyamatainak tanulmányozásából, hanem számos másfajta növény (cukornád, paradicsom, rizs) kísérletbe vonásából is születtek, gazdagítva hiányos ismereteinket. A hőstresszre adott válaszreakciók azonban meglehetősen eltérőek lehetnek a fajok és genotípusok között (Mcdonald és Paulsen 1997), így bőven akadnak még megválaszolatlan kérdések, amelyek további vizsgálatok szükségességét vetik fel. A fotoszintetikus tulajdonságokban bekövetkező változások például a növények hőtűrésének megfelelő előjelzői lehetnek. Ezek a paraméterek a növények fejlődésével 20

szoros kölcsönhatásban állnak (Wahid és mtsai. 2007), de a búzában még kevés a részletes információ arra vonatkozóan, hogy a fotoszintetikus aktivitás mérését hogyan lehetne hasznosítani a hőtűrőképesség jelzésére. 2.3.2. A magas hőmérséklet és az antioxidáns enzimrendszer A hőstressz jelentősen befolyásolja az anyagcserét, a növények életképességét és akár a különböző kórokozókkal kapcsolatos ellenálló képesség kialakulását is. Az őszi búzafajták ökológiai alkalmazkodóképességében szignifikáns különbségek figyelhetők meg. A genotípusok alkalmazkodóképessége egy olyan adottság, ami magas és stabil terméshozamot eredményezhet különböző környezeti és kalászolási körülmények között. A hőmérsékleti stressz indukálta változások eredményeként toxikus reaktív oxigénformáknak (ROS) a felhalmozódásával is számolnunk kell a növényi sejtekben. Ezek a toxikus formák az antioxidáns rendszerek működése következtében kis mennyiségben fordulnak elő normális körülmények között, ami még nem káros a sejtekre nézve. A különböző stresszhatások következtében azonban jelentősen megnőhet a mennyiségük (Kocsy és mtsai. 2002, Janda és mtsai. 2003), ami már károsíthatja a sejtalkotókat és súlyos zavarokat okozhat. A stressztűrő képesség hátterében tehát az antioxidáns enzimrendszerek is állnak, amelyek aktiválódásuk révén képesek közömbösíteni a stresszhatásokra folyamatosan termelődő ROS-okat. Számos eredmény alátámasztja az antioxidáns enzimek (pl. kataláz, peroxidázok, aszkorbátglutation ciklus enzimei, stb.) és gyökfogó vegyületek (pl. glutation, aszkorbinsav, stb.) szerepét a különböző stresszhatásokkal szembeni védekezésben. Több kutatómunka is igazolta, hogy a hőstressz hatására a ROS-k eliminálásáért felelős antioxidáns enzimek aktivitásában emelkedés következett be (Rainwater és mtsai. 1996, Jiang és Huang 2001, Vacca és mtsai. 2004, Almeselmani és mtsai. 2006, Almeselmani és mtsai. 2009). Búzánál késői (december eleje) és extrém késői vetésidő alkalmazásakor (január eleje) a vegetatív, virágzáskori és 15 nappal virágzás utáni fenofázisokban a magas hőmérséklet hatására a szuperoxid-dizmutáznak (SOD), az aszkorbát-peroxidáznak (APx), és a kataláznak (CAT) fokozott aktivitásnövekedését tapasztalták (Almeselmani és mtsai. 2006). Ugyanakkor a glutation-reduktáz (GR) és a peroxidázok (POX) enzimaktivitásában csökkenést mutattak ki a normál ültetési időponthoz (november eleje) képest. Más stresszkörülmények között, például szárazság esetén is megfigyelhető volt bizonyos antioxidánsok fokozott, míg mások csökkent működése (Esfandiari és mtsai. 2008, D’Souza és mtsai. 2009). Az aszkorbát (ASC) és a glutation (GSH) növekedése mellett a szuperoxid-dizmutáz és a kataláz aktivitáscsökkenését tapasztalták jelentősebb szárazságkezelés folyamán. Ez utóbbi 21

két antioxidáns enzim közül a kataláz enzim alacsony aktivitása következtében a H 2O2 koncentráció jelentősen megnövekedett, ami a Calvin-ciklus enzimeinek – H 2O2 érzékenységük folytán – zavart működését idézte elő (Yamazaki és mtsai. 2003). Megállapított tény, hogy a hőstressz hatására toxikus reaktív oxigénformák képződnek, melyek eliminálásáért felelős antioxidáns vegyületek és enzimek nélkül a sejtek súlyos sérülése, vagy halála következne be. Bizonyítást nyert, hogy a magas hőmérséklet hatására változás mutatható ki a növények antioxidáns enzimjeinek aktivitásában. Az eredmények gyakran ellentmondóak az egyes antioxidáns enzimek stressz toleranciában betöltött szerepét illetően. Tehát ismereteink továbbra is hiányosnak mondhatók ebben a témában, ami további vizsgálatok elvégzését indokolja ezen a területen.

22

3. CÉLKITŰZÉSEK A szélsőséges időjárási tényezők közül a magas hőmérséklet az egyik fontos abiotikus faktor, amely negatívan befolyásolhatja a növénytermesztés hatékonyságát, szükségessé téve a hőstressznek a kalászos gabonafélékre gyakorolt hatásának részletes kutatását. Ennek érdekében eltérő genetikai hátterű búzafajták stressztűrő-képességét tanulmányoztuk kontrollált klímakamrás kísérletekben, speciálisan szabályozott környezeti feltételrendszerek alkalmazásával az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet fitotronjának növénynevelő kamráiban. Vizsgáltuk, hogy a különböző fejlődési fázisban alkalmazott magas hőmérséklet hogyan befolyásolja a kalászosok szemtermésének mennyiségét és minőségi összetevőit, ebből következtetve a búzagenotípusok stressztűrőképességére. Vizsgáltuk a hő- és szárazságstressz önálló és kombinált kezelésben kifejtett hatását a növények élettani folyamataira, mérve a fotoszintetikus aktivitásban és a különböző antioxidáns enzimaktivitásokban bekövetkezett változásokat. Hőtűrő és hőérzékeny fajták keresztezésével hasadó populációt hoztunk létre az egyes fiziológiai paraméterek és a hőtűrés kapcsolatának vizsgálatára. Az alábbi kérdésekre kerestük a választ:

1. Milyen hatással van a magas hőmérséklet a fiatal és felnőttkori fejlődési stádiumban lévő őszi búzafajták termésprodukciójára? Az eltérő fenofázisban alkalmazott különböző hőmérsékleti kezelések milyen változásokat okozhatnak a búzaszemek minőségi összetevőiben?

2. A különböző fejlődési stádiumban alkalmazott magas hőmérséklet hatással van-e a fajták antioxidáns enzimaktivitására? Kimutatható-e különbség a fajták stressztűrőképességében a különböző fejlődési fázisokban? Kimutatható-e kapcsolat az egyes antioxidáns enzimek aktivitásának változásai között?

3. Hogyan befolyásolja a felnőttkori fejlődési stádiumban (szemtelítődéskor) alkalmazott önálló és kombinált hő- és szárazságstressz kezelés az eltérő genetikai hátterű kalászosok biomassza felhalmozását és termésprodukcióját? A hő- és szárazságstressz milyen hatással van a szemek beltartalmi összetételére? Az alkalmazott kezelések szemtelítődéskor milyen változásokat okoznak a növények fiziológiai folyamataiban?

4. A dihaploid populáció vonalai között a korai embriófejlődési stádiumban alkalmazott magas hőmérséklet hatására kimutathatók-e különbségek az agronómiai jellegekben? Milyen hatást gyakorol a hőstressz a korai szemfejlődési stádiumban a stressznek kitett növényeken termett búzaszemek csírázási képességére és a csíranövények kezdeti növekedési erélyére? 23

4. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK 4.1. Kísérletben vizsgált fajták Kísérleteinket a martonvásári fitotron növénynevelő kamráiban (Conviron PGV-36) 2005 és 2010 közötti időszakban végeztük. Az eltérő fenofázisban – fiatalkori és felnőttkori fejlődési állapotban – végrehajtott kísérletekbe hat őszi búzafajtát vontunk be. Ezek az alábbiak voltak: Plainsman V., Fatima 2, Mv Mambó, Mv Magma, Bánkúti 1201, GK Öthalom. A fiatalkori stresszkezeléseket bokrosodás végén – szárbaindulás elején, a felnőttkori kezeléseket pedig szemtelítődés időszakában hajtottuk végre. A szemtelítődéskori hő- és szárazságstressz hatásának tanulmányozásánál további hat fajtával bővítettük a vizsgált genotípusok számát. Így egy széles genetikai bázisú fajtakört állítottunk össze a hőtűrés értékeléséhez, melyek termőképességükben, fenológiai tulajdonságaikban és alkalmazkodóképességükben is jelentősen elkülönültek egymástól. A 12 őszi búza közül, egy tönköly és egy durum búza is vizsgálataink részét képezte. A fajták a következők voltak: Plainsman V. (USA), Fatima 2 (H), Mv Mambó (H), Mv Mariska (H), Maris Huntsman (GB), Bánkúti 1201 (H), Bezosztaja 1 (RUS), Mv Magma (H), Mv 15 (H), GK Öthalom (H), Franckenkorn (D) tönkölybúza, Mv Makaróni (H) durum búza. 4.1.1. Fajták leírása A jó szárazságtűrőnek tartott Plainsman V. magas proteintartalommal bíró keményszemű őszi búzafajta. A középkorai érésű Fatima 2 kiváló termőképességével, jó malom- és sütőipari minőségével vált ismertté. A korai érésű Mv Mambó kiváló alkalmazkodóképességű, bőtermő és jó minőségű kenyérbúzaként jellemezhető. Az Mv Mariska extra korai érésű, bőtermő, jó minőségű keményszemű kenyérbúza. A Maris Huntsman a termőképességének és betegségellenállóságának köszönhetően az egyik legnagyobb arányban termesztett, jó őrlési tulajdonságú, viszont gyenge sütőipari minőségű őszi búzafajta volt az Egyesült Királyságban (UK). A Bánkúti 1201 átlagos, vagy azt kissé meghaladó termőképességű, kemény endospermium szerkezetű, acélos, jó reológiai tulajdonságokkal rendelkező régi magyar búzafajta. Megfelelő klimatikus rezisztencia, különösen jó aszálytűrés jellemzi. A Bezosztaja 1 átlagosnál jobb termőképességű, kiváló

klimatikus

rezisztenciájú,

kemény

endospermium

szerkezetű,

kiváló

reológiai

tulajdonságokkal bíró búzafajta. Az Mv Magma jó minőségű, középkorai érésidejű, kiváló termőképességgel rendelkező kenyérbúza. Hosszú évekig a legelterjedtebb középkésői búzafajta volt az Mv 15, amely ebben az éréscsoportban elsősorban a hőtűrésének köszönhető termésstabilitással tűnt ki. A középkorai érésű Mv Makaróni, vörös színű rövid kalászaival a jó 24

termőképességű őszi durum búzákhoz tartozik. A Franckenkorn termőképessége hasonló, mint a közepes termőképességű búzáké. Produktivitása alapján a tönkölyök között a legjobbak közé tartozik. Az aestivum búzákhoz képest később kalászol, fontosabb levélbetegségekkel szemben jó ellenállósággal jellemezhető. A GK Öthalom korai érésű, bőtermő, tar kalászú, minőségi őszi búza. 4.1.2. A Plainsman V. x Mv Magma dihaploid populáció Dihaploid populációt hoztunk létre az előzetes vizsgálatok eredményei alapján hőtűrőnek (Mv Magma) és hőérzékenynek (Plainsman V.) bizonyult szülői fajtákkal. A szülői vonalak keresztezéséből származó F1 nemzedékből portok kultúrát indítva 174 DH (dihaploid) vonalból álló populáció jött létre. A dihaploid vonalak előnye, hogy homozigóták, a hasadási arányuk populáció szinten 1:1, többször ismételhető fenotípusos és genotípusos vizsgálatot tesznek lehetővé (Snape és mtsai. 1984). A portokkultúra technika alkalmazásának előnye, hogy egy lépésben jutunk teljesen homozigóta vonalakhoz (Karsai és mtsai. 1994).

4.2. Kísérletek leírása 4.2.1. Fiatalkori és felnőttkori fejlődési stádiumban alkalmazott hőstressz hatásának vizsgálata 4.2.1.1. Eltérő hőkezelések hatásának tanulmányozása a szemtermés mennyiségére és minőségére 4.2.1.1.1. Növénynevelési feltételek Fiatalkori és felnőttkori fejlődési stádiumban hat őszi búzafajta (Plainsman V., Fatima 2, Mv Mambó, Mv Magma, Bánkúti 1201, GK Öthalom) hőtűrőképességét hasonlítottuk össze. A csíranövényeket négyesével, 42 napos, alacsony fényintenzitás és rövidnappalos kezelés mellett, +4 oC-on történő vernalizáció után 2800 cm 3-es kerek cserepekbe ültettük, melyek 3:2:1 arányban kerti talaj, komposzt, homok elegyét tartalmazták. A cserepeket randomizáltan helyeztük el a növénynevelő kamrákban, és naponta csapvízzel öntöztük, a kalászolás kezdetéig hetente kétszer tápoldatoztuk (Volldünger). A kamrák hőmérséklete hetente változott a Tavasz 2 – Nyár 2 (T2NY2) klímaprogram alapján (Tischner és mtsai. 1997). A fényerősség 280 µmol∙m-2∙s-1 értékről 350 µmol∙m-2∙s-1-ig emelkedett a 9. hétig, majd ezen a szinten maradt a kísérlet végéig. A stresszkezelések alatt a fényintenzitás erőssége megegyezett a növénynevelő és stresszkamrákban (G-30 szekrény). 25

A kísérlet 5 kezelésből állt: kontroll (K), fiatalkori hőstressz (FI-30 oC) és felnőttkori hőstressz (FE-35 oC, FE-38 oC, FE-41 oC) (1. táblázat). A növények fejlődési stádiumainak elkülönítéséhez a gabonafélékre kidolgozott Zadoks-skála szerinti besorolást alkalmaztuk (Tottman és Makepeace 1979). A fiatalkori hőstresszt a növények bokrosodás végén-szárbaindulás elején (8. hét) (Zadoks-32), a felnőttkori hőstresszt kalászolás után 12 nappal (Zadoks-75) kapták meg, a megállapított átlagos kalászolási időpontok alapján. Minden esetben 15 napos kezelést alkalmaztunk. Szárbaindulás elején 12 órás nappalhosszt kaptak a növények, kalászolásnál ez 14 óra volt. A hőstressz kezeléseknél alkalmazott nappalhossz megegyezett a vizsgált fenofázisnál beállított nappalhosszal. Ebből a hőstressz kezelések a megvilágítási periódusban 8 órán keresztül tartottak. A stresszkezeléseknél használt G-30 szekrények fényerősségét 330–390 µmol∙m-2∙s-1-ra állítottuk be. A stresszkezelések alatt a fényintenzitás erőssége megegyezett a növénynevelő és stresszkamrákban (G-30 szekrény). Fajtánként 30, kezelésenként 6 cserép vett részt a vizsgálatokban. Egy cserépbe négy növényt ültettünk. 1. táblázat A kontroll, a fiatalkori és a felnőttkori stresszkezelések alkalmazott hőmérsékleti értékei

Nappal / éjjel

Kontroll Fiatalkori Felnőttkori kezelés kezelés (FI) (FE) o 17/13 C 24/20 oC

Hőstressz kezelések Fiatalkori kezelés (FI) (Zadoks-32) 30/20 oC

Felnőttkori kezelés (FE) (Zadoks-75) 35/20 oC

38/20 oC

41/20 oC

4.2.1.1.2. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása Az extrém hőmérsékletek hatásait 6 búzafajta produkcióbiológiai tulajdonságain eltérő fejlődési stádiumban vizsgáltuk. Az érési állapot elérése után meghatároztuk a növények hajtásszámát (db), a föld feletti összes biomasszát (gramm), a növényenkénti szemtermést (gramm), szemszámot (db), amelyből kiszámítottuk az ezerszemtömeget (gramm) és a harvest indexet (HI). A harvest index (%) a szemtermés arányát mutatja a földfeletti biomassza tömeghez képest (Donald 1962). 4.2.1.1.3. A szemtermés minőségének meghatározása A minőségi paraméterek méréséhez a teljes őrlemény előállítása Perten 3100 típusú laboratóriumi malmon (Perten Instruments AB, Huddinge, Svédország) történt. Az eltérő hőmérsékleti kezelésnek kitett növények szemtermésében bekövetkezett minőségváltozást Perten Inframatic 8611 (ICC 202, 159, MSZ 6367/17-89) (Perten Instruments AB, Huddinge, 26

Svédország) készülékkel 3 ismétlésben vizsgáltuk. A Zeleny-féle szedimentációs értéket (továbbiakban Zeleny-szám) teljes őrleményből Perten Inframatic 8611 készülékkel határoztuk meg. A Zeleny-szám a kenyértérfogatra ad megbízható előrejelzést. Az alacsony értékek tömörebb, kis térfogatú kenyeret jellemeznek. A nitrogéntartalom mérésén alapuló fehérje meghatározási módszerek közül jelenleg is a Kjeldahl módszer a leggyakoribb (ICC 105/2 szabvány). A teljes őrlemény fehérjetartalmát 1 g mintából 2 ismétlésben Kjeltec 1035 Autoanalyzeren (Tecator, Svédország) határoztuk meg. A kapott adatokat szárazanyag tartalomra átszámítva, N x 5,7 faktorral közöltük. A búzaszemek fehérje-összetevőinek %-os arányában történt változását SE-HPLC (Size exclusion high performance liquid chromatography) technikával határoztuk meg. A mérést 3 ismétlésben végeztük 0,1 g mintából. A minták összes glutenin-, gliadin és albumin+globulin tartalmát, a fehérjék méret alapján történő elválasztásával Batey és mtsai. (1991) módosított módszere alapján határoztuk meg. Az oldhatatlan polimer frakció (UPP) mennyiségének meghatározásához Gupta és mtsai. (1993) módszerét használtuk. Az oldhatatlan polimer fehérje frakció relatív mennyiségét az összes fehérje polimer frakció mennyiségének és az oldhatatlan fehérje frakció polimer mennyiségének arányából számítottuk ki. Meghatároztuk a glutenin/gliadin arányt és az albumin-globulin %-t, amit az oldható albumin-globulin és a teljes fehérje polimer arányából számítottunk ki. A szemkeménység meghatározására alkalmas Perten Single Kernel Characterization System 4100 típusú készülékkel egyszeri méréssel, 300 szemből a stresszkezelt növények termésének ezerszemtömegét és szemátmérőjét határoztuk meg. 4.2.1.2. Különböző tűrőképességű genotípusok élettani folyamatainak vizsgálata fiatalkori és felnőttkori hőstressz során 4.2.1.2.1. Növénynevelési feltételek A növénynevelési feltételek hasonlóak a 4.2.1.1.1. alfejezetben leírtakhoz. Az eltérések a következők: A kísérlet 3 kezelésből állt: kontroll (K), fiatalkori hőstressz (FI) és felnőttkori hőstressz (FE). A fiatalkori hőstresszt a növények bokrosodás végén-szárbaindulás elején (Zadoks-32), a felnőttkori hőstresszt a növények a fajtára jellemző átlagos kalászolási időpontjuk után 12 nappal kapták (Zadoks-75, Tottman és Makepeace 1979). A stresszkezelések 15 napon keresztül G-30 szekrényben történtek. Fajtánként 15 cserép, ezen belül kezelésenként 5 cserép vett részt a vizsgálatokban.

27

A fiatalkori kontroll hőmérsékletet a PGV-36 típusú növénynevelő kamrákban 17/13 °C-ra (nappal/éjjel), a hőstressznél alkalmazott hőmérsékletet a G-30 szekrényben 30/20 oC-ra, a fényerősséget 320 µmol∙m-2∙s-1-ra programoztuk be. Szárbaindulás elején 12 órás nappalhosszt kaptak a növények, kalászolásnál ez 14 óra volt. A hőstressznél alkalmazott nappalhossz megegyezett a vizsgált fejlődési stádiumnál alkalmazott nappalhosszal. Ebből a hőstressz kezelések a megvilágítási periódusban 8 órán keresztül tartottak. A felnőttkori kontroll növényeknél a növénynevelő kamra hőmérsékletét 24/20 °C-ra, a hőstresszkamrát 35/20 °C-ra, a fényintenzitást pedig 350 µmol∙m-2∙s-1-ra állítottuk be (Tischner és mtsai. 1997). 4.2.1.2.2. Az antioxidáns enzimrendszer vizsgálata Az antioxidáns enzimaktivitás vizsgálatokat, mind a 6 fajtáról a stresszkezelés 1. és 7. napján szedett levélminta (5 ismétlésben) begyűjtésével végeztük. Ezeket a mintákat az antioxidáns enzimaktivitás méréséig –85 °C-on fagyasztva tároltuk. Az enzimaktivitásokat fotometriásan határoztuk meg (Shimadzu UV-VIS 160A). Mérésig a mintákat jégen tartottuk. A glutationreduktáz (GR), a glutation-S-transzferáz (GSH-S-Tr.), az aszkorbát-peroxidáz (APx), a kataláz (CAT), és a guajakol-peroxidáz (GPx) aktivitásának mérését szobahőmérsékleten végeztük el. Minden antioxidáns enzim esetében az enzimaktivitás méréséhez 0,5 g levél szövetet homogenizáltunk 2,5 ml hűtött Tris pufferben (7,4 pH, 0,5 M). 4.2.1.2.3. Enzimaktivitás mérése A kataláz (CAT) enzim aktivitásának méréséhez a reakcióelegy össztérfogata 3 ml volt, 0,5 mM TRIS pufferben (pH 7,4) 10 mM H2O2-t és 50 µl növényszövet-mintát tartalmazott. A növényi kivonat kataláz aktivitását spektrofotométerrel 240 nm-en mértük, a hidrogénperoxid fogyását követve nyomon (csökkenő abszorbancia) (Janda és mtsai. 2008). Az aszkorbát-peroxidáz (APx) enzim aktivitásának mérését (csökkenő abszorbancia) 0,25 mM-os aszkorbinsavat és 0,5 mM-os H2O2-t tartalmazó Tris pufferben (7,8 pH), 290 nm-en végeztük el spektrofotométer segítségével (Nakano és Asada 1987). A glutation-reduktáz (GR) aktivitását Smith és mtsai. (1988) módszere szerint határoztuk meg. A glutation-reduktáz aktivitásának meghatározásakor a DTNB- 5,5´-ditio-bis-(2-nitrobenzoesav) redukcióját mértük 412 nm-en, melyet az enzimműködés során keletkezett GSH okozott. A reakcióelegy összetétele: 75 mM foszfát puffer (pH 7,5), 0,15 mM DTPAdiethylenetriamine-pentaecetsav, 0,75 mM DTNB, 0,1 mM NADPH, 0,5 mM oxidált glutation (GSSG) és 50 μl növényi kivonat 1ml teljes térfogatban.

28

A guajakol-peroxidáz (GPx) aktivitását Ádám és mtsai. (1995) módszere szerint határoztuk meg.

A guajakol oxidációja nyomán bekövetkező abszorbancia változást 470 nm-en,

spektrofotométerrel mértük. A reakcióelegy 0,1 M Na-acetát pufferben (5,5 pH) felvett 1 ml 1mM guajakolt és 50 µl növényi mintát tartalmazott, a reakciót 300 µl 1,3 mM H2O2 oldattal indítottuk. A glutation-S-transzferáz (GSH-S-Tr.) aktivitásának mérése az abszorbancia változása alapján 340 nm-en történt, 72,7 mM Na-foszfát pufferr(6,5 pH), 3,6 mM redukált glutation (GSH), 1 mM 1 klór-2,4-dinitro-benzoesav (CDNB) és 100 µl növényi kivonat felhasználásával (Mannervik és Guthenberg 1981). 4.2.2. Szemtelítődéskori hőstressz és szárazság hatása a kalászosokra 4.2.2.1. Növénynevelési feltételek Szemtelítődéskor

a

hőstressz és

szárazságstressz

hatását

vizsgáló

kísérletben

a

búzanövényeket 6 hetes, alacsony fényintenzitás és rövidnappalos kezelés mellett, +4 oC-on történő vernalizáció után, 3500 cm3 űrtartalmú szögletes cserepekbe ültettük. Egy-egy cserépbe 4,4 kg száraz talajnak megfelelő földkeverék került, amelyek 3:2:1 arányban kerti talaj, komposzt, homok elegyét tartalmazták. Négy-négy csíranövényt ültettünk egy cserépbe. Ezután a növények a T2NY2 klímaprogram alapján szabályozott hőmérsékleten (Tischner és mtsai. 1997) nevelkedtek a Conviron PGV-36 típusú növénynevelő kamrákban a stresszkezelések kezdetéig. A kamrák fényintenzitása az ültetéstől számított hatodik hétig 280 µmol∙m-2∙s-1 volt, ami 7.– 8. hétre 320 µmol∙m-2∙s-1-ig emelkedett. A stresszkezelések alatt egészen a kísérlet végéig 350 µmol∙m-2∙s-1-os szinten maradt. A növényeket naponta csapvízzel öntöztük, a kalászolás kezdetéig hetente kétszer tápoldatoztuk (Volldünger). A növénynevelési feltételek a kamrákban azonosak voltak. A 12 fajtával végzett kísérlet 4 kezelésből állt: kontroll (K), hőstressz (H), szárazságstressz (SZ), szárazság+hőstressz (SZ+H). Fajtánként 16 cserép (16x4= 64 növény), ezen belül kezelésenként 4 cserépnyi növényanyagot (4x4= 16 növény) használtunk a vizsgálatokhoz. A kalászolási idő felvételezése napi rendszerességgel történt. Mivel a fajták eltérő időben kalászoltak, a növénynevelő kamrákból a stresszkamrákba nem egyszerre, hanem a fajtára jellemző átlagos kalászolási idejük alapján kerültek át. Így minden fajta kezelése azonos fejlődési állapotban, a kalászolás után 12 nappal (szemtelítődés időszakában) kezdődött meg (Zadoks-75, Tottman és Makepeace 1979) és 15 napon át tartott. A hőmérsékletet a kontroll növények számára fenntartott kamrákban 24/20 °C-ra (nappal/éjjel), a hőstresszelt kamrákban 35/20 °C-ra programoztuk be (Tischner és mtsai. 1997). Kalászolás idején 14 órás nappalhosszt kaptak a növények. A hőstressznél alkalmazott 29

nappalhossz megegyezett a vizsgált fejlődési stádiumnál alkalmazott nappalhosszal. Ebből a hőstressz kezelés a megvilágítási periódusban 8 órán keresztül tartott. A talajnedvességet a természetes vízkapacitáshoz (NWC) viszonyítva állítottuk be, amit 100 %-os víztelítettségi állapotnak tekintettünk. A kontroll növényeknél ez az érték 60–70 %, a szárazságstressz kezelésnél pedig 40–45 % volt. A talajnedvességet napi rendszerességgel ellenőriztük és a hiányzó vízmennyiséget súlyra történő öntözéssel pótoltuk. A szárazságstresszt kapott növényeket a kontrollal megegyező hőmérsékleten 24/20 oC-on tartottuk. A 15 napos kezelés után a növények visszakerültek a kontroll csoporthoz. 4.2.2.2. A klorofilltartalom vizsgálata A klorofilltartalom meghatározására SPAD-502 típusú készüléket (Minolta, Japán) alkalmaztunk, amely a levél transzmittanciáját méri vörös és közeli infravörös tartományban. E két transzmittancia érték alapján kerül sor a numerikus SPAD-érték kiszámolására. A stresszkezelések minden páratlan napján (1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. napon) cserepenként 4 ismétlésben mértük a növények klorofilltartalmát. 4.2.2.3. A klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm paraméterének mérése A klorofill fluoreszcencia indukciós paramétereket a teljesen kifejlett zászlós levélen PAM2000 készülékkel (Portable Fluorometer PAM 2000, POQET, CH-8604, Walz, Effeltrich, Germany) határoztuk meg. A sötétadaptált növényeken a PSII maximális kvantumhatásfokát vizsgáltuk (Fv/Fm). A méréseket a stresszkezelések 2., 8. és 15. napján hajtottuk végre, cserepenként 4 ismétlés adatait rögzítve. A sötétadaptált mérés előnye a fényben történő méréshez képest, hogy reprodukálhatóbb értékeket ad és kevésbé érzékeny a hőmérsékletre. 4.2.2.4. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása Az extrém hőhatást és a szárazságot, valamint a kettő kombinációját a 12 búzafajta produkcióbiológiai paraméterein is vizsgáltuk. Aratási érettség elérése után meghatároztuk a növények föld feletti összes biomasszáját (g), a növényenkénti szemszámot (db), szemtermést (g), ezekből számítottuk ki az ezerszemtömeget (g) és a harvest indexet (%) (Donald 1962).

30

4.2.2.5. A szemtermés minőségének meghatározása A magas hőmérsékletnek és szárazságnak kitett növényeken vizsgáltuk a búzaszemek fehérjetartalmát (%) (ICC 105/2), Zeleny-számát (ICC 202, 159, MSZ 6367/17-89) és a fehérjeösszetevők %-os arányának változását, melynek részletes leírását a 4.2.1.1.3. alfejezet tartalmazza. A

keményítő

szemcseméret

módosulásának

vizsgálatához

a minta-előkészítést

a

martonvásári laboratóriumban végeztük. A 12 búzafajtából a durum és tönköly fajták kivételével csak 10 fajta termése állt rendelkezésre a mérésekhez. A feltárás egész szemekből 2 ml NaCl (0,5 M) oldat hozzáadásával történt. A többszörös mosások és centrifugálás (5 perc, 5000 rpm) után a kapott keményítőt fagyasztva szárítottuk. Az előkészített minták keményítő szemcseméretének meghatározása Mastersizer 2000 Ver. 5.22 (Serial Number: MAL100282, Malvern Instruments Ltd.) műszer segítségével Ausztráliában történt (Accessory name: Hydro 2000S). A mérés során (CSIRO Plant Industry, Canberra, Ausztrália) a 7 µm alatti keményítő szemcseméretet térfogat %ban határoztuk meg. 4.2.3. A hőtűrési tulajdonságok összefüggés-vizsgálata hasadó búzapopulációban 4.2.3.1. Növénynevelési feltételek A populáció 174 DH (dihaploid) vonalát és a szülőket 6 hetes, alacsony fényintenzitás és rövidnappalos kezelés mellett, +4 oC-on történő vernalizációt követően egyesével úgynevezett pálmahajtató cserepekbe ültettük. Üvegházi körülmények között a rendelkezésre álló DH 0 szemterméstől függően, vonalanként 4–6, összesen 863 növényt neveltünk fel. A kalászolásukat naponta felvételeztük, a megközelítőleg egyforma időpontban kalászolók kaptak hőstressz kezelést a kalászolást követő 6. napon, a korai szemfejlődés időszakában. A hat egyedből álló vonalak közül három növény normál körülmények között (19–25 oC-on) maradt az üvegházban, három pedig 15 napon keresztül 35/20 oC-os (8 órán keresztül) kezelést kapott a fitotron hőstresszkamrájában (Conviron PGV-36, G-30 szekrény) (Tischner és mtsai. 1997). Korai szemfejlődés időszakában 14 órás nappalhosszt kaptak a növények. Ebből a hőstressz kezelés a megvilágítási periódusban 8 órán keresztül tartott. A fényintenzitás 350 µmol∙m-2∙s-1volt a kezelések alatt a két kamrában. A növényeket rendszeresen csapvízzel öntöztük. 4.2.3.2. A klorofilltartalom vizsgálata A stresszről való visszakerülés után a zászlós levelek sárgulását klorofilltartalom mérésével jellemeztük, amelyhez SPAD-502 Minolta műszert használtunk.

31

4.2.3.3. A produkcióbiológiai tulajdonságok meghatározása Az aratási érettség elérését követően a 4.2.1. kísérlet 4.2.1.1.2. alfejezetében leírtak szerint végeztük a termésbiológiai tulajdonságok (biomassza, szemtermés, szemszám, harvest index, ezerszemtömeg) meghatározását. A főkalászon az 1 kalászkában lévő szemek számát a főkalász szemszámának, illetve a főkalász kalászkaszámának hányadosa alapján határoztuk meg. 4.2.3.4. A csírázási képesség vizsgálata A DH vonalak kontroll és hőstresszkezelt növényeiről származó szemek csírázási tesztjét hajtottuk végre. A csíráztatáshoz száraz szemeket használtunk. Száraz szűrőpapírba vonalanként és kezelésenként 10–10 szemet tekertünk fel (főkalászét és mellékkalászét külön-külön). A kapott tekercseket üvegpohárba állítottuk és egyenletes vízmennyiséggel belocsoltuk. Két napon keresztül hagytuk a szemeket +4 oC-on duzzadni, majd szövettenyésztő szobában 20 oC-on 1 hétig csírázni. A csíranövényeket a 8. napon értékeltük ki, meghatároztuk a stressznek kitett növényeken termett búzaszemek csírázási képességét. Mértük a csíranövények hajtáshosszát (cm) és gyökérhosszát (cm), illetve számoltuk a gyökérszámát (db). 4.2.4. Alkalmazott statisztikai próba A kontroll körülmények között beállított kísérleteink eredményeinek feldolgozását és statisztikai kiértékelését kéttényezős variancia-analízissel végeztük, ahol az egyik tényező a fajta, a másik a kezelés volt (Láng és mtsai. 2001). Megfelelő ismétlésszámú, vagy ismétlés nélküli kísérleti adat statisztikai elemzése a Microsoft Excel 2000 programjának kéttényezős varianciaanalízis moduljával történt. A vizsgált tulajdonságok közötti összefüggéseket korreláció analízissel, Microsoft Excel 2000 programmal határoztuk meg.

32

5. EREDMÉNYEK 5.1.

Különböző

fejlődési

stádiumokban

alkalmazott

hőstressz

hatásának

tanulmányozása a szemtermés mennyiségi és minőségi összetevőire 5.1.1. A fiatalkori és felnőttkori hőstressz és a produkcióbiológiai tulajdonságok Az első kísérletben hat őszi búzafajta hőtűrőképességét hasonlítottuk össze a növények fiatalkori (bokrosodás vége-szárbaindulás eleje) és felnőttkori fejlődési stádiumában (kalászolás után 12 nappal), vizsgálva a hőstressznek a termésmennyiségre és minőségre kifejtett hatását. A fiatalkori hőstressz kezelés és a felnőttkori hőstressz számottevő változást okozott a termés mennyiségének alakulásában. Valamennyi tulajdonság esetén minden tényező szignifikáns volt 0,1 %-os valószínűségi szinten (Függelék 1. táblázata). A kezelés variancia komponens aránya a stressz és fajta tényező között is jelentős százalékos különbséget mutatott (Függ. 2. táblázata). A fajtareakcióban jóval kisebb szintű variabilitás mutatkozott a stresszre adott válaszreakció mértékében. A stressz tényező szinte valamennyi tulajdonság esetén a kezelés variancia nagyobb hányadát magyarázta. Egyedül a biomasszahozamban volt nagyobb a fajták között a hősokkra adott reakcióban mutatkozó variabilitás mértéke. A szemtelítődés idején alkalmazott három hőmérsékleti szinten (35–38–41 oC) kapott eredményeket összehasonlítottuk a fiatalkorban alkalmazott hőstressz kezelés termésparaméterekre kifejtett hatásával (3. ábra). 120

Produkcióbiológiai paraméterek

Kontroll %-ban

100 80 60 40 20 0 Biomassza FI-30°C

Harvest index

S zemszám

FE-35°C

Ezerszem- S zemtermés tömeg

FE-38°C

FE-41°C

3. ábra A fiatalkori (bokrosodás vége-szárbaindulás eleje) és a felnőttkori fejlődési stádiumban (szemtelítődés idején) alkalmazott magas hőmérséklet hatása a produkcióbiológiai tulajdonságokra a fajták átlagában Rövidítések: Fiatalkorban (FI) és felnőttkorban (FE) alkalmazott hőmérsékleti kezelések: FI-30 oC, FE-35oC, FE-38oC, FE-41oC; A fiatalkori kezelés oszlopán feltüntetett szignifiakncia vonalak az adott tulajdonságon belül az eltérő hőmérsékleti kezelések közötti szignifikáns különbséget mutatják p ≤ 0,05 valószínűségi szinten

A fiatalabb fejlődési stádiumban a fajták sokkal érzékenyebben reagáltak a hőstresszre, mint szemtelítődés idején, annak ellenére, hogy ott csak 30 oC-os volt a stressz. Az ezerszemtömeg 33

kivételével a kontrollhoz képest az összes termésparaméter szignifikánsan nagyobb csökkenést mutatott, mint ami a szemtelítődés alatti stressz hatására bekövetkezett. Különösen a szemszám esetében jelentkezett nagymértékű (51,8 %-os) visszaesés, amellyel együtt a szemtermés (50,47 %-os) is jóval elmaradt a kontroll növények termésétől. A legjelentősebb változást az ezerszemtömegben tapasztaltuk. A fiatalkori kezelés hatására a fajták átlagában az ezerszemtömeg mintegy 13,38 %-kal növekedett meg, a szemszám átlagos 51,8 %-os csökkenése mellett (3. ábra). A három hőmérsékleti szinten kapott biomassza produkció és a szemszám átlagok nem tértek el egymástól szignifikánsan (3. ábra). A szemszám a kontroll növények szemszámához képest is alig mutatott változást. Ennek az oka, hogy a szemek kialakulása még az alkalmazott stresszkezelések előtt bekövetkezett, így a hőstressz a szemszámra csak kisebb mértékű hatást tudott gyakorolni. A felnőttkorban alkalmazott stresszek közül a szemszám és a biomassza kivételével

a

38

o

C-os

kezelés

szignifikánsan

nagyobb

mértékben

csökkentette

a

produkcióbiológiai paramétereket, mint a 35 oC-os hőmérséklet. Szemtelítődéskor a 35 oC-on (17,3 %) és 38 oC-on (29,1 %) bekövetkezett ezerszemtömeg csökkenés kisebb terméscsökkenéssel járt együtt, mint ami a fiatalkori hőstressz hatására bekövetkezett

(3. ábra). A 35 oC-on kezelt

növények szemtermése átlagosan 24,2 %-kal, a 38 oC-on kezelteké, pedig átlagosan 35,06 %-kal esett vissza. A 38 és a 41 oC-os kezelésnek a termésparaméterekre kifejtett hatása között szignifikáns különbség már nem volt kimutatható. A különböző kezelések búzaszemekre kifejtett hatását a bemutatott képek is jól szemléltetik (1. kép).

K

FI-30 oC

FE-35oC FE-38oC FE-41oC 1. kép A GK Öthalom őszi búzafajta szemtermésének morfológiai változása a fiatalkori (FI) 30 oC-os, valamint a felnőttkori (FE) 35 oC, 38 oC és 41 oC-os hőmérsékleti kezelések hatására a kontrollhoz (K) viszonyítva 34

A fiatalkori (30

o

C-os) kezelés hatására a szemek mérete a kontrollhoz képest

megnövekedett. A szignifikánsan nagyobb ezerszemtömeg a szemszám csökkenésével magyarázható. A biomassza és a harvest index kevésbé csökkent, mint a növényenkénti szemszám, így a növény által termelt asszimiláta mennyiség jóval kevesebb szem között oszlott meg, jelentősen megnövelve az ezerszemtömegét. A felnőttkori hőstressz azonban zsugorodottabb, aszottabb szemeket eredményezett. A 35, 38 és 41 oC-os kezelések között szemmel látható morfológiai különbségek nem voltak megfigyelhetők. 5.1.2. A vizsgált őszi búzafajták termésparamétereinek változása A két eltérő fenofázisban alkalmazott kezelés között a legnagyobb különbség a fiatalkori hőstressz hatására bekövetkezett produkcióbiológiai veszteségben nyilvánult meg (4. A ábra). A bokrosodás végén-szárbaindulás elején alkalmazott 30 oC-os hőmérséklet hatására jelentős biomassza csökkenés következett be szinte az összes fajtánál. A kontroll növények valós biomasszahozama alapján a második legkisebb biomasszával jellemezhető Plainsman V. fajtánál a fiatalkori hőstressz a legkisebb biomassza csökkenést okozta. A legnagyobb föld feletti összes biomasszával rendelkező Bánkúti 1201 fajtánál viszont a legnagyobb csökkenést váltotta ki a 30 o

C-os hőmérséklet. A szemtermésnek a biomasszához viszonyított arányát mutató harvest index

szintén a Plainsman V.-nél volt a legjobb, a legrosszabb harvest index értékkel pedig a GK Öthalom jellemezhető. A fiatalkori hőstressz hatására a legnagyobb mértékben a GK Öthalom szemszáma csökkent. A vizsgált fajták között a Plainsman V. búzafajtának maradt a relatív termése legnagyobb a többi fajtához képest, a szemszámában bekövetkezett legkisebb mértékű csökkenésnek köszönhetően. Ehhez még az ezerszemtömeg értékének kisebb visszaesése is társult (4. A ábra). Három másik fajta esetén (Fatima 2, Mv Mambó, GK Öthalom) viszont az ellenkezőjét, az ezerszemtömeg megnövekedését tapasztaltuk, melynek egyetlen magyarázata a drasztikus mértékben lecsökkent szemszám lehetett. Ezeknél a fajtáknál a hőstressz hatására a szemtermés jelentősen kisebb lett. A legrosszabb terméssel a GK Öthalom volt jellemezhető. A fiatalkori és felnőttkori hőstressz által a termésparaméterekben kiváltott válaszreakciók között nem volt szignifikáns korreláció. A felnőttkori hőstressz kezelések hatására a biomasszában és harvest indexben bekövetkezett csökkenés nem volt olyan nagy mértékű (4. B ábra), mint amit a fiatalkori kezelés okozott. Szemtelítődés idejére időzített hőstressz kezelés szintén a Bánkúti 1201 fajta biomasszájában eredményezte a legszámottevőbb csökkenést. A harvest index kedvezőtlen irányú változása néhány fajtánál (Fatima 2, Mv Mambó, Mv Magma) már 35 oC-os hőmérséklet hatására is bekövetkezett. A 38 oC-os kezelés a 35 oC-osnál sokkal jelentősebb csökkenést eredményezett (legnagyobbat az Mv Mambónál, legkisebbet a Bánkúti 1201-nél). 35

A 120

120

100 80 60 40

100 80 60 40 20

20

0

0 Plainsman Fatima 2 V.

Mv Mambó

Mv Magma

Kontroll

Bánkúti 1201

Plainsman Fatima 2 V.

GK Öthalom

Kontroll

FI-30°C

140

120

120

100 80 60 40

FE-35°C

Bánkúti 1201

FE-38°C

GK Öthalom

FE-41°C

100 80 60 40 0

0 Plainsman Fatima 2 V.

Mv M ambó

Mv Magma

Kontroll

Bánkúti 1201

Plainsman Fatima 2 V.

GK Öthalom

Kontroll

FI-30°C

Szemszám

Mv Mambó

Mv Magma

FE-35°C

Bánkúti 1201

FE-38°C

GK Öthalom

FE-41°C

Szemszám

140

140

120

120

kontroll %-ban

kontroll %-ban

Mv Magma

20

20

100 80 60 40

100 80 60 40 20

20 0

0 Plainsman Fatima 2 V.

Mv Mambó

Mv Magma

Kontroll

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman Fatima 2 V.

FI-30°C

Kontroll

Ezerszemtömeg

Mv M ambó

Mv Magma

FE-35°C

Bánkúti 1201

FE-38°C

GK Öthalom

FE-41°C

Ezerszemtömeg

140

140

120

120

kontroll %-ban

kontroll %-ban

Mv Mambó

Harvest index

140 kontroll %-ban

kontroll %-ban

Harvest index

100 80 60 40

100 80 60 40 20

20

0

0 Plainsman Fatima 2 V.

Mv Mambó

Mv Magma

Kontroll

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plains man Fatima 2 V. Kontroll

FI-30°C

Termés

Mv Mambó

Mv Magma

FE-35°C

Bánkúti 1201

FE-38°C

GK Öthalom

FE-41°C

Termés

140

140

120

120 kontroll %-ban

kontroll %-ban

B

Biomassza 140 kontroll %-ban

kontroll %-ban

Biomassza 140

100 80 60 40

100 80 60 40 20

20

0

0 Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Kontroll

Mv Magma

Bánkúti 1201 FI-30°C

GK Öthalom

Plainsman Fatima 2 V. Kontroll

Mv Mambó FE-35°C

Mv Magma

Bánkúti 1201

FE-38°C

GK Öthalom

FE-41°C

4. ábra A produkcióbiológiai tulajdonságok változása (A) fiatalkori (FI) 30 oC-os és (B) felnőttkori (FE) 35 oC, 38 oC illetve 41 oC-os hőstressz kezelések hatására kontrollhoz viszonyítva hat őszi búzafajtánál A kontroll oszlop szignifikancia vonalai az adott fajtán belül a kezelések közötti szignifikáns különbséget mutatják p ≤ 0,05 szinten

36

Egyik fajtánál sem váltottak ki a különböző hőkezelések számottevő változást a szemszámban, viszont a kontrollhoz képest az ezerszemtömeg jelentős csökkenést mutatott. Míg a Plainsman V., illetve a Bánkúti 1201 ezerszemtömegét a 41 oC-os hőstressz kezelés csökkentette le legnagyobb mértékben a kontrollhoz képest, a többi fajtánál már a 38 oC jelentős visszaesést eredményezett. A jelentős ezerszemtömeg csökkenés számottevő szemtermés veszteséggel járt együtt (4. B ábra). A csökkenés mértéke viszont nem volt olyan súlyos, mint ami a fiatalkori hőstressz hatására bekövetkezett (4. A ábra). A Plainsman V.-nél, illetve Bánkúti 1201-nél a 41 oC okozta legnagyobb ezerszemtömeg csökkenés mellé a legnagyobb termésvisszaesés is járult. A többi fajta szemtermése 38 oC-nál csökkent le a legnagyobb mértékben (4. B ábra). A 35 oC-os hőstressz hatására a legkisebb termésveszteséget a GK Öthalom és a Plainsman V. fajtáknál mértük. 5.1.3. A hőstressz hatása a szemtermés minőségére Az eltérő fejlődési stádiumban alkalmazott hőstressz a különböző termésparaméterek veszteségén keresztül erőteljes hatással volt a szemtermés minőségének változására. Valamennyi tulajdonság esetén minden tényező szignifikáns volt 0,1 %-os valószínűségi szinten (Függ. 3.-4. táblázata). A kezelés variancia komponens aránya a stressz és fajta tényező között jelentős %-os eltéréssel volt jellemezhető a minőségi tulajdonságok esetében is (Függ. 5. táblázata). A fehérjeösszetevők változásánál (UPP %, Glu/Gli, AG %) a fajtareakcióban jóval nagyobb variabilitás mutatkozott a stresszre adott válaszreakciók mértékében. A fehérjetartalom, az ezerszemtömeg, illetve a szemátmérő esetében a stressz tényező a kezelés variancia nagyobb hányadát magyarázta, míg a Zeleny-számban a fajták hatása volt jelentősebb. A fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására jelentős különbség volt kimutatható a szemek relatív fehérjetartalmában (5. ábra). A legnagyobb mértékű szignifikáns fehérjetartalom növekedést a fiatalkori hőstressz okozta. A Fatima 2 és az Mv Mambó fajtáknál az ezerszemtömeg szignifikáns növekedése mellett a szemátmérő kisebb, a GK Öthalomnál nagyobb növekedését is kimutattuk. Azoknál a fajtáknál, ahol az ezerszemtömeg számottevően nem változott meg a fiatalkori hőkezelés hatására, ott a növényenkénti szemátmérőben sem történt jelentős változás. A minőségromlásra utaló Zeleny-szám csökkenés a fiatalkori hőstressz hatására csak egy fajtánál volt kimutatható (Plainsman V.) (5. ábra). Ezzel szemben a magas fehérjetartalom értékek mellett 5 őszibúzánál a Zeleny-szám nagy mértékű növekedését mutattuk ki a 30

o

C-os

hőmérséklet hatására. Az általában minőségromlást jelző lecsökkent oldhatatlan polimer fehérje % (UPP %) és a glutenin-gliadin arány (Glu/Gli) közül az UPP % mutatkozott kevésbé alkalmas paraméternek a hőstressz okozta minőségromlás kimutatására. A 6 fajtából csak egy fajta volt UPP % csökkenéssel jellemezhető, míg a Glu/Gli arány szignifikáns csökkenése az összes fajta 37

termésének minőségromlására utalt a megemelkedett Zeleny-szám és fehérjetartalom ellenére. A legnagyobb Glu/Gli arány csökkenése az Mv Mambó, Bánkúti 1201 és GK Öthalom fajták esetén következett be. A fiatalkori hőstressz a fajtáknál eltérő változást okozott az albumin-globulin %ban (AG %), 3 fajtánál volt kimutatható szignifikáns csökkenés, egynél viszont növekedés (5. ábra). A szemtelítődés idején a 3 oC-onként emelkedő extrém hőmérséklet hatására a fajták fehérjetartalma nem azonos mértékben változott (5. ábra). Például az Mv Mambó, Mv Magma és GK Öthalom fajtáknál a 38 oC-os hőmérséklet nagyobb fehérjetartalomnövekedést váltott ki, mint a 35 oC. Két fajtánál pedig a 41 oC okozta a legnagyobb relatív fehérjetartalmat a szemtelítődéskori stresszkezelésnél. A felnőttkori hőstressz hatására bekövetkezett relatív fehérjetartalom emelkedésére az ezerszemtömeg csökkenése szolgálhatott magyarázatul, amit a szemátmérő csökkenése is alátámasztott a vizsgált fajtáknál. A szemtelítődéskori fehérjetartalom emelkedése sem eredményezett jobb technológiai minőséget, mert a terméscsökkenés mellett a sütőipari minőséggel összefüggő Zeleny-szám is szignifikánsan kisebb lett (5. ábra). Minél jobban megemelkedett a szemek fehérjetartalma a stressz hatására, annál jobban lecsökkent a Zelenyszám. A Plainsman V. fajta legkisebb fehérjetartalomnövekedése, a legkisebb Zeleny-szám csökkenéssel járt együtt. Három fajtánál a 35 oC-os hőmérséklet hatásaként nagyobb csökkenés volt megfigyelhető a Zeleny-számban, mint a magasabb hőmérésékleti kezeléseknél. Két fajtánál o

viszont a 41

C hatására következett be a legnagyobb visszaesés a vizsgált sütőipari

tulajdonságban. A búza kenyérkészítésre való alkalmasságát a termés fehérje-összetétele is döntő módon befolyásolja (5. ábra). A kisebb UPP % és a Glu/Gli arány a legtöbb esetben a szemtermés minőségének

gyengülésére

utal

a

fehérjetartalom

növekedése

ellenére.

A

felnőttkori

minőségromlásra utaló változások leginkább a 41 oC-os kezelés hatásának következményeként jelentkeztek, amit vagy a Glu/Gli arányának vagy az UPP %-nak a csökkenése jelzett. A többi alkalmazott magas hőmérséklet (35 oC, 38 oC) viszont vagy nem okozott változást a tartalékfehérje tartalomban vagy éppen ellenkező képet mutatott. Erre volt példa a Plainsman V. és a Bánkúti 1201 UPP %-ának emelkedése is (5. ábra). A fajták minőségének romlását a legtöbb esetben a Glu/Gli arányának a csökkenése mutatta, ami a Fatima 2-nél és GK Öthalomnál már a 35 oC-os, az Mv Mambónál és Plainsman V.-nél viszont a 41 oC-os kezelés hatására következett be. Az UPP %-ban is a 41 oC-os hőmérséklet eredményezett csak szignifikánsan igazolható minőségromlást a Plainsman V. Fatima 2, Mv Magma, GK Öthalom fajtáknál. A felnőttkori hőstressz szintén eltérő módon befolyásolta a fajták AG %-át (5. ábra). Két fajta mindhárom hőmérsékleti kezelésnél szignifikáns AG % növekedéssel volt jellemezhető és csak egy jelentősebb AG % csökkenéssel. 38

Plainsman V. Kontroll %-ban

140 120 100 80 60 40

Ezers zemtömeg

Szemátmérő Kontroll

Fehérje tartalom FI-30°C

Zelenyszám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

Kontroll %-ban

Fatima 2 140 120 100 80 60 40

Ezerszemtömeg

Szemátmérő

Kontroll

Fehérje tartalom FI-30°C

Zelenyszám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

Kontroll %-ban

Mv Mambó 140 120 100 80 60 40

Ezers zemtömeg

Szemátmérő Kontro ll

Feh érje tartalom FI-30°C

Zelen ys zám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

Kontroll %-ban

Mv Magma 140 120 100 80 60 40

Ezerszemtömeg

Szemátmérő

Kontroll

Fehérje tartalom FI-30°C

Zelenyszám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

Kontroll %-ban

Bánkúti 1201 140 120 100 80 60 40

Ezers zemtö meg

Szemátmérő Kontroll

Feh érje tartalom FI-30°C

Zelen ys zám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

39

Kontroll %-ban

GK Öthalom 140 120 100 80 60 40

Ezers zemtömeg

Szemátmérő Kon tro ll

Fehérje tartalom FI-30°C

Zelenys zám FE-35°C

UPP % FE-38°C

GLU/GLI

AG %

FE-41°C

5. ábra A vizsgált hat őszi búzafajta termésminőségének változása fiatalkori (FI) fenofázisban alkalmazott 30 oC-os, valamint felnőttkori (FE) fejlődési stádiumban kapott 35 oC, 38 oC és 41 oC-os hőstressz kezelések hatására Rövidítések: oldhatatlan polimer protein % (UPP %), glutenin-gliadin arány (Glu/Gli), albumin-globulin % (AG %); A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak az adott tulajdonságon belül az eltérő hőmérsékleti kezelések közötti (p ≤ 0,05) szignifikáns különbséget mutatják

5.1.4. A terméshozam és minőség korrelációs összefüggései A korrelációs analízisek 5 % és 1 %-os szignifikancia szinten mutattak összefüggéseket a termés mennyiségi paraméterei és a minőségi tulajdonságok között 6 vizsgált fajtánál (6. ábra). A fiatalkorban hőstressznek kitett búzafajták szemtermésének és a fehérjetartalmának szoros negatív korrelációját mutattuk ki. A fiatalkori hőstressz során a szemszám jelentős csökkenésével a szemátmérő és ezzel párhuzamosan az ezerszemtömeg növekedését tapasztaltuk. A szemszám és a termésmennyiség csökkenésével nőtt a relatív fehérjetartalom és a Zeleny-szám. Ez nem jelentette a szemtermés minőségének javulását, hiszen a Glu/Gli arány szignifikánsan csökkent. A felnőttkori 35 oC-os hőstressz hatására bekövetkezett relatív fehérjetartalom-növekedés és terméscsökkenés között szintén szignifikáns, negatív korrelációs kapcsolat állt fenn, bár ez a két összefüggés nem volt olyan szoros, mint a fiatalkori hőstressz kezelés esetén (7. A ábra). Az ezerszemtömeg csökkenése a relatív fehérjetartalom növekedésével járt együtt. A felnőttkori 41 o

C-os hőstressz hatására szignifikáns pozitív kapcsolat állt fenn a növényenkénti összes

szemtermés és szemátmérő változása között (7. B ábra), vagyis az extrém hő szemtermést csökkentő hatása a szemméret csökkenésével magyarázható. Az emelkedő vagy kevésbé változó biomassza produkció pedig fokozatosan csökkenő Glu/Gli arányt eredményezett.

40

Lineáris (fehérje)

130 120

**

2

R = 0,9331 110 100 15

25

35

45

55

65

75

85

Relatív fehérjetartalom kontroll%ban

Relatív fehérjetartalom kontroll%ban

fehérje 140

fehérje

140

Lineáris (fehérje)

130

120

110

100 15

95

25

35

45

55

65

75

85

95

S zemszám változása kontroll%-ban

S zemtermés változása kontroll%-ban szemát mérő Lineáris (szemát mérő)

125

110

**

2

R = 0,8592

95

80 90

100

110

120

130

140

zeleny-szám

Zeleny-szám kontroll%-ban

Szemátmérő kontroll%-ban

140

**

2

R = 0,8994

140

Lineáris (zelenyszám)

125

**

2

R = 0,8525

110 95 80

150

20

30

Ezerszemtömeg változása kontroll%-ban

40

50

60

70

80

90

S zemtermés változása kontroll%-ban

6. ábra A termés mennyiségi jellegeinek és minőségi paramétereinek korrelációja fiatalkori 30 oC-os hőstressz kezelés esetén 6 vizsgált fajtánál

Lineáris (feh érje)

11 5 11 0

R = 0,6792 * 2

10 5 10 0 95 90 65

A

70

75

80

85

90

S zemtermés változása kontroll%-ban

Szemátmérő kontroll%-ban

L ineáris (szem át m érő)

95 90 85 80

R = 0,8874** 2

75 70 45

50

55

60

65

70

75

80

S zemtermés változása kontroll%-ban

fehérje

1 20

Lin eáris (feh érje)

1 15 1 10

*

2

R = 0,8373

1 05 1 00 95 90 70

A

szem át m érő

100

B

Relatív fehérjetartalom kontroll%ban

fehérje

12 0

75

80

85

90

Ezerszemtömeg változása kontroll%-ban GL U/GLI arán y

1 20

Glu/Gli arány kontroll%-ban

Relatív fehérjetartalom kontroll%ban

(*, ** a korrelációs koefficiens kritikus r értékei 0,8114 P= 5 %-nál, 0,9172 P= 1 %-nál)

85

Lineáris (GLU/GL I arán y)

1 10 1 00 90 80

**

2

R = 0,9452

70 50

55

B

60

65

70

75

80

85

90

95

Biomassza változása kontroll%-ban

7. ábra A biomasszának, illetve a termés mennyiségi jellegeinek és minőségi tulajdonságainak korrelációja felnőttkori 35 oC (A) és 41 oC-os (B) hőstressz kezelés esetén 6 vizsgált fajtánál (* a korrelációs koefficiens kritikus r-értékei 0,8114 P= 5 %-nál, 0,9172 P= 1 %-nál)

41

5.2. Az antioxidáns enzimaktivitás változása fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására őszi búzáknál 5.2.1. A fiatalkori hőstressz hatása a kalászolás idejére és a hajtásszám változására A különböző fejlődési stádiumban a növényeket érő magas hőmérséklet jelentős mértékben kihat a vegetációs periódus hosszára és a termésparaméterek alakulására. Kísérletünkben hat őszi búzafajta hőstressz hatására bekövetkezett antioxidáns enzimaktivitás-változását vizsgáltuk a növények fiatalkori és felnőttkori fejlődési stádiumában (szemtelítődés idején). Fiatalkorban, bokrosodás végén-szárbaindulás elején (ültetéstől számított 8. héten) a hőstresszkezelt búzafajtáknál meghatároztuk az ültetéstől a kalászolásig eltelt napok számát (8. ábra). A 15 napig 30 oC-on stresszkezelt növények kalászolási időpontját a kontroll növények kalászolási idejével vetettük össze. Az eredmények alapján mind a 6 vizsgált fajtánál a hőstresszkezelt növények korábban kalászoltak ki, mint a kezeletlen kontroll társaik. Fiatalkorban (8. hét) hőstressz kezelés előtt (0. nap) és a kezelés után (15. nap) meghatároztuk a búzafajták hajtásszámát (9. ábra). A szárbaindulás elején alkalmazott magas hőmérséklet hatására a növények hajtásainak elszáradását tapasztaltuk minden fajtánál. A legjelentősebb hajtáspusztulás a GK Öthalomnál volt megfigyelhető. A legkevésbé viszont a Fatima 2 fajtának változott meg magas hőmérséklet hatására a hajtásszáma. Fiatalkori hajtásszám változás

Ültetéstől a kalászolásig eltelt napok száma Kontroll

Fiatalkori- hőstressz (30°C)

0.NAP

80 60

6 db

napok száma

15.NAP

8

40

4 2

20

0

0 Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

8. ábra Az ültetéstől a kalászolásig eltelt napok számának változása fiatalkori (bokrosodás vége-szárbaindulás eleje) hőstressz (30 oC) hatására

Plains man Fatima 2 V.

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

9. ábra A 30 oC-os hőstressz hatása a fiatalkori fenofázisban lévő őszi búzafajták hajtásszám változására

A kontroll oszlopon lévő szignifikancia vonalak a szignifikáns (0. nap- hőstressz kezelés előtt, 15. nap- hőstressz kezelés különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten után) A kontroll oszlopon lévő szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

5.2.2. A glutation-reduktáz antioxidáns enzim aktivitása A nagyrészt kloroplasztiszban kimutatott glutation-reduktáz (GR) a sejtek antioxidáns védekező rendszerében, a glutation ciklusban fontos szerepet játszó enzim. A hőstresszkezelt 42

búzafajták glutation-reduktáz enzimaktivitása az egyik legkisebb aktivitásváltozást mutatta a vizsgált enzimek között (10. ábra). A fiatalkori 15 napos stresszkezelés alatt a kontroll növények antioxidáns enzimaktivitásának megemelkedését tapasztaltuk a 7. napon az 1. vizsgálati időponthoz képest. A normál körülmények között tartott (kontroll) növények glutation-reduktáz aktivitásnövekedése összefüggésben állhat a fiatal fejlettségi állapotukkal, ami több fajtánál magyarázhatja a kontroll és kezelt enzimaktivitás között fennálló nem szignifikáns kapcsolatot. Több fajta GR enzimaktivitásának emelkedése egyáltalán nem érte el a szignifikáns p < 0,05 valószínűségi szintet (pl. Plainsman V., Fatima 2) fiatalkori kezelés 1. és 7. vizsgálati napján. Az Mv Magma fajtánál is csak részben, mivel a kontroll növény antioxidáns enzimaktivitása annyira megnőtt a fiatalkori kezelés 7. napján, hogy a stresszkezelt növény GR aktivitásában így már nem lehetett különbséget kimutatni a kontrollhoz képest. A Bánkúti 1201 volt az egyetlen, ahol a GR szignifikáns aktivitásnövekedését mindkét vizsgálati időpontban detektálni lehetett fiatalkori hőstressz kezelésnél. Két fajtánál (Mv Mambó, GK Öthalom) az antioxidáns enzimek aktivitásának csökkenését tapasztaltuk. A felnőttkori 35 oC-os hőméréséklet volt a legkevésbé hatással a GR enzimaktivitására. Csak az Mv Magmánál volt mindkét napon szignifikáns aktivitáscsökkenés kimutatható a GR enzimnél. Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 1. nap 0,6

0,5 -1

GR [ A412 min ]

-1

GR [ A412 min ]

0,5 0,4 0,3 0,2

0,4 0,3 0,2 0,1

0,1 0,0

0,0

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Kontroll Hőstressz

Felnőttkori stressz 1. nap

0,6

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Kontroll Hőstressz

Felnőttkori stressz 7. nap

0,6 0,5

-1

-1

GR [ A412 min ]

0,5

GR [ A412 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 7. nap

0,6

0,4 0,3 0,2

0,4 0,3 0,2 0,1

0,1 0,0

0,0

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

10. ábra A glutation-reduktáz antioxidáns enzim aktivitásának változása fiatalkori 30 oC-os és felnőttkori 35 oC-os stresszkezelés 1. és 7. napján A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

43

5.2.3. A glutation-S-transzferáz antioxidáns enzim aktivitása Az oxidatív stressz elleni védekezés másik fontos antioxidáns enzime a glutation-Stranszferáz (GSH-S-Tr.). Ennek az enzimnek a vizsgálatakor szintén megállapítható volt, hogy a vizsgált kontroll növények enzimaktivitása megemelkedett a fiatalkori kezelés 7. napjára (11. ábra). Ugyanakkor az is megfigyelhető volt, hogy a fiatalkori hőstresszre adott enzimakitivitás válaszokhoz képest az 1. napon a GSH-S-Tr. aktivitása mintegy megháromszorozódott a felnőttkori kezelés idején. Hasonló intenzív növekedés viszont nemcsak a kezelt növényeknél, hanem a kezeletlen kontroll növényeknél is kimutatható volt a fiatalkori és felnőttkori kezelés 1. napja között. Ha a felnőttkori kezelés 1., illetve 7. napján mért antioxidáns enzimaktivitást vetjük össze, akkor megállapítható, hogy kisebb visszaesés jelentkezett a hőkezelésre a 7. napon a növények GSH-S-Tr. antioxidáns enzimaktivitásában. Fiatalkori stádiumban a hőstressz hatására a kezelés 1. napján csak két fajta, viszont a 7. napon már az összes fajta szignifikáns antioxidáns enzimaktivitás növekedéssel reagált. A felnőttkorban alkalmazott hőstresszre az összes fajtánál mind az 1., mind a 7. napon szignifikáns enzimaktivitás növekedés volt a válasz. A Plainsman V. fajta kiemelkedett a hőstresszre adott magas GSH-S-Tr. antioxidáns válaszreakciójával a többi fajta közül.

-1

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

GK Öthalom

Plainsman V.

Kontroll Hőstressz

Felnőttkori stressz 1. nap

-1

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

Felnőttkori stressz 7. nap

0,30

GSH-S-Tr. [ A340 min ]

0,30 -1

Kontroll Hőstressz

0,00

Plainsman V.

GSH-S-Tr. [ A340 min ]

Fiatalkori stressz 7. nap

0,30

GSH-S-Tr. [ A340 min ]

-1

GSH-S-Tr. [ A340 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 1. nap

0,30

GK Öthalom Kontroll Hőstressz

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

11. ábra A glutation-S-transzferáz antioxidáns enzim aktivitásának változása fiatalkori 30 oC-os és felnőttkori 35 oC-os stresszkezelés 1. és 7. napján A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

44

5.2.4. A guajakol-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitása A guajakol-peroxidáz (GPx) antioxidáns enzim aktivitásában a felnőttkori és fiatalkori hőstressz kezelés között jelentős különbség mutatkozott (12. ábra). A szemtelítődéskor alkalmazott stressz hatására az enzimek lényegesen nagyobb aktivitással voltak jellemezhetők, mint a fiatalkori hőstressz kezelés hatására. A GPx-nél is kimutatható volt, hogy a fiatalkori kezelés kontroll növényeinek aktivitása megnövekedett a kezelés 1. napjához képest a 7. napon. Szemtelítődéskor viszont a kontroll növények enzimaktivitásában nem tapasztaltunk jelentős különbséget a vizsgált időpontok között. A legszembetűnőbb változás a fiatalkorban kapott hőstressz hatására következett be. Míg a kezelés első napján csak két fajta, addig a kezelés 7. napján a Plainsman V. fajta kivételével már mindegyik búzafajta GPx enzimaktivitás csökkenéssel reagált a magas hőmérsékletre. A felnőttkori kezelésnél is jellemzőbb volt az enzimaktivitás visszaesése, de ennek mértéke a legtöbb fajtánál (Mv Mambó, Mv Magma, Bánkúti 1201, GK Öthalom) nem érte el az p ≤ 0,05 valószínűségi szintet. Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 1. nap 1,20

1 ,00

-1

-1

GPx [ A470 min ]

GPx [ A470 min ]

1,00 0,80 0,60 0,40

0 ,80 0 ,60 0 ,40 0 ,20

0,20

0 ,00

0,00

Plains man V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

Plainsman V.

GK Öthalom Kontroll Hős tressz

Felnőttkori stressz 1. nap 1,20

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom Kontroll Hőstressz

Felnőttkori stressz 7. nap

1,20 1,00

1,00 -1

GPx [ A470 min ]

-1

GPx [ A470 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 7. nap 1 ,20

0,80 0,60 0,40

0,80 0,60 0,40 0,20

0,20 0,00

0,00

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

12. ábra A guajakol-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitásának változása fiatalkori 30 oC-os és felnőttkori 35 oC-os stresszkezelés 1. és 7. napján A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

5.2.5. Az aszkorbát-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitása A hőstressz hatására felhalmozódott ROS-k közül a H2O2 hatékony eltávolításáért felelős enzim

az

aszkorbát-peroxidáz

(APx).

A

GSH-S-Tr.

mellett

az

APx

is

jelentős 45

aktivitásnövekedéssel volt jellemezhető hőstressz hatására (13. ábra). Érzékenyebbnek mutatkozott a hőstresszre, mivel már a fiatalkori és a felnőttkori stresszkezelések első napján szignifikánsan nagyobb aktivitás volt mérhető a stresszkezelt növényeknél. Míg a fiatalkori hőstressz hatására a Plainsman V. kivételével minden fajta antioxidáns enzimaktivitása szignifikáns emelkedéssel volt jellemezhető, addig a 7. napra már csak a Plainsman V., a Fatima 2 és Bánkúti 1201 fajtáknál volt kimutatható szignifikáns növekedés az enzimaktivitásban. A felnőttkori hőstressz kezelésnél az első vizsgálati napon a Bánkúti 1201 antioxidáns aktivitásemelkedése nem érte el a szignifikánsnak tekinthető 5 %-os valószínűségi szintet. Ugyanakkor a kezelés 7. napjára a Plainsman V., Fatima 2, Mv Mambó és a GK Öthalom még mindig szignifikáns APx enzimaktivitás emelkedéssel reagált a hőstresszre. Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 1. nap 0,14

0 ,12 -1

APx [ A290 min ]

-1

APx [ A290 min ]

0,12 0,10 0,08 0,06 0,04

0 ,08 0 ,06 0 ,04

0 ,00

0,00

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

Plainsman V.

GK Öthalom Kontroll Hőstress z

Felnőttkori stressz 1. nap

-1

0,10 0,08 0,06

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom Kontroll Hőstressz

0,12 0,10 0,08 0,06

0,04

0,04

0,02

0,02

0,00

Mv Mambó

Felnőttkori stressz 7. nap APx [ A290 min ]

0,12

Fatima 2

0,14

0,14 -1

0 ,10

0 ,02

0,02

APx [ A290 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 7. nap 0 ,14

0,00

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

13. ábra Az aszkorbát-peroxidáz antioxidáns enzim aktivitásának változása fiatalkori 30 oC-os és felnőttkori 35 oC-os stresszkezelés 1. és 7. napján A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

5.2.6. A kataláz antioxidáns enzim aktivitása A kataláz (CAT) a másik legfontosabb antioxidáns enzim, ami a H2O2 semlegesítéséért felelős. Az APx-hez hasonlóan, szinte az összes búzafajtánál a kataláz a fiatalkori és felnőttkori stresszkezelések első napján szignifikánsan megemelkedett antioxidáns aktivitással válaszolt a magas hőmérsékletre (14. ábra). A kezelés 7. napján kimutatott enzimaktivitás viszont kisebb mértékben visszaesett, de hat fajtából négy esetében az enzimaktivitás szignifikánsan magas maradt. A kontroll növények CAT antioxidáns enzimaktivitásának növekedése szintén kimutatható 46

volt a fiatalkori kezelés 7. napján az 1. napi mért értékekhez képest, hasonlóan az APx-éhoz. Fiatalkori kezelésnél a Plainsman V., felnőttkori kezelésnél szintén a Plainsman V. és GK Öthalom emelkedett ki a fajták közül a jelentős mértékben megnövekedett antioxidáns enzimaktivitásával.

0,10

-1

0,08 0,06 0,04

0,08 0,06 0,04 0,02

0,02

0,00

0,00

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

Plainsman V.

GK Öthalom Kontroll Hős tressz

Felnőttkori stressz 1. nap 0,12

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom Kontroll Hőstressz

Felnőttkori stressz 7. nap 0,12 0,10

-1

CAT [ A240 min ]

0,10

-1

CAT [ A240 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 7. nap

0,12

CAT [ A240 min ]

0,10

-1

CAT [ A240 min ]

Kontroll Hőstressz

Fiatalkori stressz 1. nap

0,12

0,08 0,06 0,04

0,08 0,06 0,04 0,02

0,02

0,00

0,00

Plains man V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

Plainsman V.

Fatima 2

Mv Mambó

Mv Magma

Bánkúti 1201

GK Öthalom

14. ábra A kataláz antioxidáns enzim aktivitásának változása fiatalkori 30 oC-os és felnőttkori 35 oC-os stresszkezelés 1. és 7. napján A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak a szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

5.2.7. Az antioxidáns enzimaktivitások változásának összehasonlítása Minden vizsgált antioxidáns enzim aktivitásában kimutatható volt, hogy fiatalkori fejlődési stádiumban a kontroll növények enzimaktivitása megemelkedett a kezelések 7. napjára, ami összefügghet az intenzívebb növekedésű, korai fejlődési állapotukkal. Az antioxidáns enzimek közül a GR-nél és a GPx-nél mutattuk ki a legkisebb, főként aktivitás csökkenéssel járó változást (2. táblázat). Ez a hőstresszre való érzékenységükre is utalhat egyben, nagyobb mértékű enzimdegradációt okozva. Ezzel szemben a GSH-S-Tr., a CAT és az APx enzimek aktivitása szignifikánsan megnövekedett hőstressz kezelés hatására. A felnőttkori hőstressz nagyobb számban okozott aktivitásemelkedést, mint a fiatalkorban alkalmazott hőstressz. A vizsgált fajták közül a Bánkúti 1201 volt az egyik olyan búzafajta, amelyik a fiatalkori magas hőmérsékleti kezelésre a legtöbb antioxidáns enzimnél szignifikáns aktivitásemelkedést mutatott (2. táblázat). A másik kiemelkedően magas antioxidáns enzimaktivitású fajta az Mv Magma volt. Ezek viszont már a felnőttkori hőstressz hatására nem mutattak olyan nagyon 47

megnövekedett enzimaktivitás értéket, mint például a Plainsman V., Fatima 2, Mv Mambó és a GK Öthalom. 2. táblázat Hat őszi búzafajta antioxidáns enzimaktivitás-változásának összefoglalása fiatalkori (30 oC) és felnőttkori fejlődési stádiumban alkalmazott (35 oC) hőstressz hatására a kezelések első és hetedik napján Fajták Fiatalkori hőstressz Plainsman V. Fatima 2 Mv Mambó Mv Magma Bánkúti 1201 GK Öthalom Fajták Felnőttkori hőstressz Plainsman V. Fatima 2 Mv Mambó Mv Magma Bánkúti 1201 GK Öthalom

GSH-SGR Tr. GPx CAT APx 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + GSH-SGR Tr. GPx CAT APx 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. 1.n. 7.n. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Rövidítések: glutation-reduktáz (GR), glutation-S-transzferáz (GSH-S-Tr.), guajakol-peroxidáz (GPx), kataláz (CAT), aszkorbát-peroxidáz (APx); a 15 napos hőstressz kezelés 1. napja (1.n.), illetve 7. napja (7.n.) (+ szignifikáns növekedés a kontroll értékéhez viszonyítva, – szignifikáns csökkenés a kontroll értékéhez viszonyítva, P < 0,05 valószínűségi szinten)

5.2.8. Az antioxidáns enzimek aktivitásváltozása közti korrelációanalízis A fiatalkorban és felnőttkorban alkalmazott hőstressz hatására az antioxidáns enzimek aktivitásában történt változások között korrelációs kapcsolatot mutattunk ki a hat vizsgált fajtánál. A fiatalkori hőstressz kezelés alatt álló őszi búzáknál a kezelés 7. napján a CAT pozitív korrelációs kapcsolatban állt a GR-rel (15. ábra). E két enzim között viszont a kezelés 1. napján még nem volt szignifikáns korreláció kimutatható. A hőstressznek kitett növények megváltozott antioxidáns enzimaktivitása között korrelációs kapcsolatot kaptunk a szemtelítődkori kezelés 1., illetve 7. napján is. Az APx és CAT antioxidáns enzimek között mindkét vizsgálati időpontban bekövetkezett aktivitásváltozásnál pozitív korreláció állt fenn (16. ábra). A GR és CAT enzimek között nemcsak fiatalkori hőstressz hatására, hanem felnőttkori magas hőmérsékleti kezelés 1. napján is hasonló pozitív korreláció volt megfigyelhető a vizsgált fajtáknál (17. A ábra). Az aszkorbát-glutation ciklusban, a kloroplasztiszokban felhalmozódó H2O2 semlegesítéséért az APx és GR antioxidáns enzimek 48

felelősek. E két enzim között a felnőttkori hőstressz (kezelés 1. napján) következtében kiváltott aktivitásváltozás szignifikánsan pozitív korrelációt mutatott 5 %-os szignifikancia szinten (17. B ábra). A GR és CAT között, illetve a GR és APx enzimek között a kezelés 7. napján viszont nem volt szignifikáns összefüggés kimutatható. Antioxidáns enzimaktivitás korrelációja

Fiatalkori hős tre s sz 7. nap

Kataláz

0,14 0,11 0,08 0,05

y = 0,2565x - 0,0366 2

R = 0,6904

0,02 0,36

0,38

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

*

0,50

Glutation-reduktáz

15. ábra A glutation-reduktáz és a kataláz antioxidáns enzimek aktivitása közti korreláció fiatalkori hőstressz 7. napján Antioxidáns enzimaktivitás korrelációja

Antioxidáns enzimaktivitás korrelációja

Fe lnőttkori hős tre s sz 1. nap

Fe lnőttkori hős tre ss z 7. nap

0,14 0,11 0,08

y = 1,2942x + 0,0004

0,05

2

R = 0,8751**

Aszkorbát-peroxidáz

Aszkorbát-peroxidáz

(*, ** a kritikus r érték P=5 % -nál 0,8114; P=1 %-nál 0,9172)

0,11 0,08 0,05

y = 1,2185x - 0,0125 2

0,02 0,04

0,14

R = 0,9021**

0,02 0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,04

0,06

Kataláz

0,08

0,10

0,12

0,14

Kataláz

16. ábra A kataláz és az aszkorbát-peroxidáz aktivitás változása közti kapcsolat felnőttkori hőkezelés 1. és 7. napján (*, ** a korrelációs koefficiens kritikus r-értékei P=5 % -nál 0,8114; P=1 %-nál 0,9172) Antioxidáns enzimaktivitás korrelációja

Fe lnőttkori hős tre s s z 1. nap

Fe lnőttkori hős tre ss z 1. nap

Kataláz

0,14 0,11 0,08 0,05

y = 0,2603x - 0,0475 R = 0,7194 *

0,40

0,14 0,11 0,08 0,05

y = 0,3477x - 0,0664 2

2

0,02

A

Aszkorbát-peroxidáz

Antioxidáns enzimaktivitás korrelációja

0,45

0,50

0,55

Glutation-reduktáz

0,60

R = 0,6705 *

0,02

0,65

0,40

B

0,45

0,50

0,55

0,60

Glutation-re duk táz

17. ábra A glutation-reduktáz és a kataláz közötti (A), illetve a glutation-reduktáz és az aszkorbát-peroxidáz közötti (B) antioxidáns enzimek aktivitásváltozásának korrelációja felnőttkori hőstressz kezelés 1. napján (*, ** a korrelációs koefficiens kritikus r-értékei P=5 % -nál 0,8114; P=1 %-nál 0,9172)

49

5.3. Szemtelítődés idején bekövetkező hő- és szárazságstressz hatásának vizsgálata 5.3.1. A vizsgált fajták kalászolási jellemzői A búzanövényeket fitotroni növénynevelő kamrákban neveltük. A hőstressznek és a szárazságnak, valamint e két kezelésnek az együttes élettani és produkcióbiológiai paraméterekre kifejtett hatását vizsgáltuk a növények kalászolását követően (12 nappal), szemtelítődés idején. Az ültetéstől a stressz kezdetéig eltelt napok számában jelentkező eltérések is bizonyították az alkalmazott fajtakör széles genetikai bázisát (3. táblázat). A fajták kalászolási időpontjának pontos meghatározása az egyik legfontosabb szempont volt, mivel az alkalmazni kívánt kezeléseknek (hőstressz, szárazság, szárazság+hőstressz) a növények kalászolásától számított 12. napjától, megközelítően a szemtelítődés időszakában kellett elkezdődniük. A változatos kalászolási időpontok ellenére, a vizsgált fajták mindegyikét a rá jellemző kalászolási idő alapján, azonos fenofázisban stresszkezeltük. A legkorábban kalászoló fajták közé tartozott a Plainsman V. és az Mv Mariska, melyeknél a kalászolásig eltelt napok száma 66 volt, de hasonlóan a korán kalászolók közé sorolhattuk a Fatima 2-t és Mv Mambót is. A Maris Huntsman és Franckenkorn a legkésőbbi időpontban kalászolók csoportját képviselte. A fajtáknál az ültetéstől a stresszkezelés kezdetéig eltelt napok száma 78 és 99 között változott (3. táblázat). Az alkalmazott stresszek morfológiai tulajdonságokra (magasság, hajtásszám, kalászszám, főkalászhossz, kalászkaszám) kifejtett hatása között nem volt jelentős különbség kimutatható, mivel az éréskori (szemtelítődéskor) kezelések idején a növények vizsgált morfológiai tulajdonságai már kifejlettnek tekinthetők. 3. táblázat A 12 búzafajta ültetésétől a hő- és szárazságstressz, illetve kombinált stresszkezelés kezdetéig eltelt napok száma Ültetéstől a stresszkezelés kezdetéig eltelt napok száma: Plainsman V. (USA) 78 Fatima 2 (H) 79_80 Mv Mambó (H) 80_81 Mv Mariska (H) 78 Maris Huntsman (GB) 99 Bánkúti 1201 (H) 85 Bezosztaja 1 (RUS) 87_88 Mv Magma (H) 87_88 Mv 15 (H) 88_89 GK Öthalom (H) 85 Franckenkorn (D) 99 Mv Makaróni (H) 92 50

5.3.2. A klorofilltartalom változása kezelések hatására A szemtelítődés idején alkalmazott hő és szárazságstressz jelentős változást okozott a klorofilltartalomban és számottevő eltérést a vizsgált fajták válaszreakcióiban. A kontroll körülmények között tartott növények a vizsgálati időszak (15 napos stressz) alatt végig egyenletes klorofillszintet mutattak (18. A ábra). A 12 fajta klorofilltartalmában a vizsgálati időpontok között szignifikáns eltérés nem volt kimutatható, jelezve, hogy a kontroll növények egészségesek és zöldek maradtak. A fajták közti változatosságra a Fatima 2 és Franckenkorn között megfigyelhető pigmenttartalomban lévő nagy különbség utalt (18. A ábra). A hőstressz a fajták klorofilltartalmában már szemmel látható eltérést eredményezett (18. B ábra). A Fatima 2, az Mv Mambó és az Mv Magma klorofilltartalma csökkent le a legkisebb mértékben a többi fajtához képest, ami jobb tűrőképességet is jelezhet. A legnagyobb mértékű visszaesést mutató fajták a Plainsman V. és az Mv Makaróni voltak, ezek reagáltak a legérzékenyebben a 35 °C-os hőmérsékletre (18. B ábra). A legtöbb fajtánál (a kontrollhoz képest) már a 9. naptól szignifikáns csökkenések voltak kimutathatók, de akadt néhány olyan fajta is, amelynél már a stresszkezelés 7. napjától (pl. Mv Makaróni, Bezosztaja 1) megkezdődött a klorofill lebomlása a növényi szövetekben. A Fatima 2, az Mv Mambó, és a Franckenkorn klorofilltartalom változása viszont olyan kis mértékű volt, hogy szinte a kontroll növények klorofill tartalmával mutatott megegyezést, a 15 napos hőstressz kezelés ellenére is. A szárazságstressz hatására a klorofilltartalom változásában hasonló tendencia volt megfigyelhető, de a változás gyorsabban következett be (18. C ábra). A szárazságstressz okozta élettani változások következtében a levélben található klorofill mennyisége hamarabb bomlásnak indult és a növények sárgulni kezdtek. Míg a fajták többségénél a hőstressz főként a stresszkezelés 9. napjától okozott szignifikáns visszaesést a klorofilltartalomban, addig a szárazság többnyire már a 7. naptól jelentős csökkenést váltott ki (a kontrollhoz képest). Az Mv Mambó és a Maris Huntsman jobban bírták a vízhiányos állapotot, mivel csak a 11. napon mutattak jelentősebb romlást a klorofilltartalmukban (18. C ábra). Minden fajtánál a kettős stresszhatás okozta a legnagyobb mértékű változást (18. D ábra). Ez a kombinált kezelés annyira drasztikus volt, hogy a klorofill mennyiségének csökkenése már a 3. napon elkezdődött és a 15. napig folytatódott. A csökkenés a 7. napig intenzív volt és 9 fajtánál a kezelés 9. és 15. napja között már csaknem állandó, 0 és 10 közötti SPAD-értékre esett vissza. A Maris Huntsman, Franckenkorn és Mv Makaróni fajtáknál kevésbé volt jelentős a kettős stresszhatás.

51

SzD 5% (fajt a)=2,7

Kontroll

70

Fatima 2

70

Mv Mambó

60

60

Mv Mariska

50

Bánkúti 1201

40

Bezosztaja 1

30

Mv Magma Mv 15

20

GK Öthalom

10

SzD 5%(fajt a)=3,6

Franckenkorn

Szárazságstressz

SzD 5%(idő)=2,9

30 20

1.nap

SzD 5%(fajt a)=2,8 SzD 5%(idő )=2,2

80

70

70

60

60

Minolta-SPAD érték

80

50 40 30 20

3.nap

5.nap

7.nap

9.nap 11.nap 13.nap 15.nap

B Szárazság+hőstressz

50 40 30 20 10

10

0

0

C

40

0

Maris Huntsman 1.nap 3.nap 5.nap 7.nap 9.nap 11.nap13.nap15.nap

50

10

Mv Makaróni

0

Minolta-SPAD érték

80

Plainsman V.

A

Hőstressz

SzD 5%(idő)=2,2

80

Minolta-SPAD érték

Minolta-SPAD érték

SzD 5%(fajt a)=2,0 SzD 5% (idő)=1,7

1.nap

3.nap

5.nap

7.nap

9.nap

11.nap 13.nap 15.nap

D

1.nap

3.nap

5.nap

7.nap

9.nap 11.nap 13.nap 15.nap

18. ábra A kontroll (A), hőstressz (B), szárazság (C), szárazság+hőstressz (D) hatása a fajták klorofilltartalmára szemtelítődés fenofázisában A 19. ábra a klorofilltartalomban a kezelések hatására a legeltérőbb válaszreakciókat mutató fajtákat szemlélteti. A hőstressz jelentős különbséget eredményezett a Plainsman V. és Mv Magma klorofilltartalmában. A Plainsman V.-nél a klorofilltartalom már a 2. napon szemmel látható csökkenéssel volt jellemezhető (19. A ábra), míg az Mv Magma esetében a kontrollhoz képest nem történt változás a 35oC-os kezelést követően (19. B ábra). Kisebb csökkenés a kezelés 13. napjától volt mérhető. A szárazságstresszt a Plainsman V. jobban tűrte, mivel a kezelés 9. napjától kezdődött csak meg a klorofill pigmentek degradációja, addig a kontrollhoz hasonló szinten tudott maradni (19. A ábra). Ugyanakkor az Mv Magma klorofilltartalma már a kezelés 7. napjától szignifikáns csökkenéssel volt jellemezhető (19. B ábra). A Plainsman V. fajta a szárazság ellenére hosszabb ideig volt képes megtartani a kontroll növényekhez képest a zöld színét, mint az Mv Magma. Az Mv Magmánál ellenben a szárazságstressz hatására sokkal kisebb mértékben csökkent le a klorofilltartalom a kezelés 15. napjára, mint a vizsgált Plainsman V. fajtánál. A szárazság+hőstressz, mint mindegyik fajta esetében a legnagyobb változást váltotta ki, ami az Mv Magmánál később, a Plainsman V.-nél korábban következett be. 52

SzD5% idő=4,3

Plainsman V.

70

60

60

50 40 30 20 10

50 40 30 20 10

0

0 1.nap

A

Mv Magma

SzD5% stressz=3,1

70

Minolta SPAD-érték

Minolta SPAD-érték

SzD5% idő=4,4 SzD5% stressz=3,1

3.nap

Kontroll

5.nap

Hő

7.nap

9.nap

Szárazság

11.nap

13.nap

15.nap

Szárazság+Hő

1.nap

B

3.nap

5.nap

Kontroll

Hő

7.nap

9.nap

11.nap

Szárazs ág

13.nap

15.nap

Szárazság+Hő

19. ábra A Plainsman V. (A) és az Mv Magma (B) klorofilltartalmának módosulása a stresszkezelések hatására A szemtelítődéskori stresszkezelés ideje alatt készült képek jól szemléltetik a vizsgált őszi búzafajta (GK Öthalom) állapotának romlását a stresszkezelések 2., 8. és 15. napján (2. kép). A 2. napon a növények még teljesen egészségesek, zöld színűek voltak. A 8. napra már szemmel látható változást lehetett megfigyelni a szárazság + hő hatásának kitett növényeken és már a sárgulás jelei a szárazságkezelteken is jelentkeztek. A kezelés utolsó (15.) napján a kontrollal összevetve a hőstressznek kitett növények mutatkoztak még a legellenállóbbnak. 2. nap

8. nap

15. nap

2. kép A szemtelítődéskor alkalmazott stresszek hatása a kezelés 2., 8. és 15. napján az őszi búzán (1.) Szárazság+hőstressz, (2.) hőstressz (35 oC), (3.) szárazságstressz, (4.) kontroll

53

5.3.3. A stressz hatása a PSII maximális kvantumhatásfokára A kezelések által indukált élettani változások a levélben található klorofill gyors bomlását eredményezték, így a növények a kontrollhoz képest jóval korábban kezdtek sárgulni, ami a fotoszintetikus aktivitásukra is jelentős hatással volt. A különböző búzafajtáknak a klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értéke kontroll körülmények között egyenletes szinten maradt (20. A ábra). A hasonló mérési paraméterek közel megegyező intenzitású fotoszintetikus aktivitásra utaltak. A magas hőmérséklet is csak kisebb mértékű változást okozott a fajták fotoszintetikus aktivitásában (20. B ábra). A 12 vizsgált búzafajta közül a Bánkúti 1201-nél csak az Mv Makaróni mutatott nagyobb csökkenést a kezelés 8. napjától a stresszkezelés végére, ami a klorofilltartalmában bekövetkezett hirtelen visszaeséssel is magyarázható. A többi fajtánál az Fv/Fm értékben kontroll körülményeken mért adatokhoz képest nem tapasztaltunk jelentősebb változást. A szárazságstressz hatása a fajták között viszont sokkal jelentősebb volt (20. C ábra). A búzafajtákat a klorofill fluoreszcencia értékeik alapján kétféle, toleráns és érzékeny csoportra osztotta. Az Mv Makaróni a fajták között választóvonalat jelölt ki a klorofill fluoreszcencia értékének teljesen lineáris csökkenésével. Az Mv Makarónihoz képest az Mv Magma, a Bezosztaja 1, a Fatima 2, a Franckenkorn és az Mv 15 fajták Fv/Fm értékében a szárazság szignifikáns romlást okozott a kezelés 8. napjára, míg az Mv Mariska, a Maris Huntsman, a GK Öthalom, a Bánkúti 1201, a Plainsman V., és az Mv Mambó csökkent vízadagolás mellett is toleránsabbnak bizonyultak (20. C ábra). Ezen értékek alapján az Mv Mambó emelkedett ki a fotoszintetikus

aktivitásával,

amit

a

legmagasabb

és

leghosszabb

ideig

fennmaradó

klorofilltartalom is elősegíthetett. A növények legnehezebben a szárazság+hőstressz kombinált kezelését tolerálták (20. D ábra). Még a szárazságstressz alapján toleránsnak mutatkozó fajták is a kettős stresszre a kezelés 8. napjára a klorofill fluoreszcencia paraméterük teljes szignifikáns csökkentésével válaszoltak. A hőstressz hatására a klorofilltartalomban a kezelés 11. (r= 0,6606), 13., illetve 15. napi változása (r= 0,6762) és a klorofill fluoreszcencia Fv/Fm paraméterében a 15. napon bekövetkezett változások között pozitív korrelációs összefüggést mutattunk ki 5 %-os szignifikancia szinten, illetve a 13. napi változásnál 1 %-os valószínűségi szinten (r= 0,7809). A szárazság hatására szintén pozitív kapcsolat állt fenn az Fv/Fm 15. napon mért értéke és a klorofilltartalomban a kezelés 7. és 9. napján történt változás között (r= 0,7133, r= 0,6394). A 9. nap után viszont már nem volt kimutatható összefüggés a vizsgált élettani tulajdonságok stresszkezelésre megváltozott értékei között a nagy mértékű csökkenések következtében. A kombinált stresszkezelés hatására a 54

klorofilltartalom és a klorofill fluoreszcencia gyorsabban és sokkal jelentősebb mértékben csökkent értékei között szintén nem volt kimutatható szignifikáns korreláció. SzD 5%(idő)=0 ,0 1

SzD 5%(idő)=0,03

Kontroll

SzD 5%(fajt a)=0 ,03

Plainsman V.

1

Mv M ambó

0,8

Mv M ariska Bánkúti 1201

0,6

Bezosztaja 1 Mv M agma

0,4

Fv/Fm

Fv/Fm

1

Fatima 2

0,8

Mv 15 GK Öthalom

0,2

Maris Huntsman 2.nap

8.nap

15.nap

0,6 0,4 0,2

Mv M akaróni 0

0

Franckenkorn

2.nap

B

A

8.nap

15.nap

SzD 5%(idő)=0,02

SzD 5%(idő)=0,03

Szárazságstressz

SzD 5%(fajt a)=0 ,0 6

SzD 5%(fajt a)=0,04

1

Szárazság+hőstressz

1

0,8

0,8

Fv/Fm

Fv/Fm

Hőstressz

SzD 5%(fajt a)=0 ,0 5

0,6 0,4

0,6 0,4 0,2

0,2

0 0

C

2.nap 2.nap

8.nap

15.nap

8.nap

15.nap

D

20. ábra A klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értékének változása a stresszkezelések 2., 8. és 15. napján a kontroll (A), hőstressz (B), szárazság (C) és szárazság+hőstressz (D) hatására A 21. ábra a klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm paraméterében a kezelések hatására a legeltérőbb válaszreakciókat mutató fajtákat szemlélteti. A kiválasztott két fajta 35 oC-os kezelésre adott válaszreakciója és a kontroll növények klorofill fluoreszcencia Fv/Fm értéke között nem volt mérhető szignifikáns különbség (21. ábra). Viszont a szárazságstressz már szemmel látható eltérést okozott a fotoszintetikus aktivitásukban. A Fatima 2 fajta az alkalmazott stressz hatására a 8. napon szignifikáns Fv/Fm csökkenéssel (79 %-os) válaszolt, ami a 15. napra még nagyobb mértékben esett vissza (21. A ábra). Az Mv Mariska képviselte az ellenpólust (kontrollhoz viszonyított 21 %-os csökkenés), mivel jóval nagyobb fotoszintetikus aktivitással volt jellemezhető a szárazságstressz hatására (21. B ábra), mint a Fatima 2. A kombinált kezelésre viszont már mindkét fajta egyöntetűen drasztikus visszaeséssel reagált.

55

SzD 5%(st ressz)=0,0 3

Mv Mariska

SzD 5%(idő )=0 ,0 3

1

1

0,8

0,8

0,6

0,6

Fv/Fm

Fv/Fm

Fatima 2

0,4

SzD 5%(idő )=0,0 3

0,4 0,2

0,2

0

0 2.n ap

A

SzD 5%(st ressz)=0 ,0 3

Kontroll

8 .nap

Hő

Szárazság

2.nap

15 .nap

Szárazság+Hő

B

Kontroll

8.nap

Hő

Szárazs ág

15.nap

Szárazság+Hő

21. ábra A Fatima 2 (A) és az Mv Mariska (B) klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm paraméterének összehasonlítása hőstressz, szárazság és szárazság+hőstressz hatására 5.3.4. A biomassza és terméshozam változása stresszkezelések hatására Fajták átlagában összefoglaltuk a hőstressz, a szárazság és a szárazság + hőstressz hatására megváltozott termésbiológiai tulajdonságok abszolút értékeit szemtelítődés idején (4. táblázat). Valamennyi tulajdonság esetén minden tényező szignifikáns volt 0,1 %-os valószínűségi szinten (Függelék 6. táblázata). A kezelés variancia komponens aránya a stressz és fajta tényező között jelentős %-os eltérést mutatott. A stressz tényező a kezelés variancia nagyobb hányadát magyarázta szinte valamennyi vizsgált produkcióbiológiai tulajdonságnál (Függelék 7. táblázata). A fajtareakcióban jóval kisebb szintű variabilitás mutatkozott a stresszre adott válaszreakció mértékében. Egyedül a szemszámban volt a fajták hatása jelentősebb. A fajták átlagában megállapítható volt, hogy míg a hőstressz 11 %-kal, a szárazság már 28 %-kal, a szárazság+hőstressz a legnagyobb mértékben, 36,2 %-kal csökkentette a biomassza produkciót. A hőstressz a harvest indexre (-17,4 %) is kisebb hatással volt, mint a szárazságstressz (-34,7 %) vagy a kettős (Sz+H) stressz (-52,3 %). A fajták átlagában szignifikáns csökkenés hőstresszre egyedül a szemszámban nem volt kimutatható, a szárazság és a kombinált stresszkezelés hatása viszont már statisztikailag igazolható csökkenést okozott. A variancia komponensek aránya alapján egyedül a szemszámnál volt a fajtahatás jelentősebb, mint a stressz. Az ezerszemtömeg szárazságstresszre bekövetkezett (44,7 %) csökkenése is nagyobb mértékű volt, mint ami a hőstressz hatására (20,2 %) bekövetkezett. A stresszkezelések a szemtermésben súlyos veszteségeket eredményeztek. A terméscsökkenés szárazságstressz hatására (54,7 %) szintén sokkal jelentősebb volt, mint hőstresszre (27 %), de a kombinált kezelés hatására még ezeknél is nagyobb mértékű (70,35 %) csökkenés következett be (4. táblázat).

56

4. táblázat A termésbiológai tulajdonságok változása a szemtelítődéskori hő-, szárazság és szárazság+hőstressz hatására fajták átlagában Fajták átlagában Kontroll Biomassza (g) 6,88 Harvest index (%) 38,16 Szemszám (db) 76,99 Ezerszemtömeg (g) 35,07 Szemtermés (g) 2,63

Hőstressz 6,12* 31,5* 68,99 27,99* 1,92*

Szárazság 4,96* 24,93* 66,31* 19,4* 1,19*

Szárazság+Hő 4,39* 18,22* 62,73* 12,98* 0,78*

SzD5% 0,64 1,84 8,77 1,63 0,22

* szignifikánsan különbözik a kontrolltól a p < 0,05 valószínűségi szinten

Az alkalmazott stresszek a hatásukat szemtelítődéskor, az élettani folyamatok megváltozásán keresztül,

főként

a

szervesanyag-felhalmozásra

fejtették

ki,

befolyásolva

ezzel

a

produkcióbiológiai paraméterek alakulását. A stresszkezelések hatására a biomassza tömege szignifikánsan lecsökkent, jelentős különbségeket eredményezve a vizsgált fajták és az alkalmazott stresszek hatása között is (22. A ábra). A magas hőmérséklet a kontrollhoz viszonyítva jóval kisebb biomassza csökkentő stresszfaktornak bizonyult, mint a szárazságstressz, mivel csak a fajták ¼-ére volt szignifikánsan csökkentő hatással. A szárazságstressz azonban már a vizsgált búzafajták 2/3-ánál szignifikáns csökkenést okozott. Az extrém hőhatást legjobban a Bezosztaja 1, Mv Magma, Mv 15 és a Franckenkorn, a szárazságot viszont a GK Öthalom, Franckenkorn és az Mv Mariska viselte el. A legjelentősebb változások a szárazság és hőstressz együttes hatására (SZ+H) következtek be, de nemcsak a föld feletti összes biomasszában, hanem a harvest index, szemszám, ezerszemtömeg és a szemtermésben egyaránt. A harvest index csökkenése a növények szemtömegében és biomasszájában bekövetkezett változásnak az eredménye (22. B ábra). A 35 oC-os hőmérséklet a 12 vizsgált fajtából 9 búzafajta esetén, a szárazság viszont már mind a tizenkettőnél szignifikáns csökkenést okozott. A Bánkúti 1201 harvest indexe maradt az egyik legnagyobb a hőstressz, illetve szárazságstressz hatására is. Az alkalmazott stresszek a szemszámra voltak a legkisebb hatással (22. C ábra). Ennek a magyarázata legfőképpen az, hogy kísérletünkben a kezelések csak kalászolás után 12 nappal kezdődtek el, mikor a virágzás már lejátszódott és a magkezdemények egy része már megjelent. Így a produkcióbiológiai paraméterek közül a szemszám a legkisebb mértékben változott, míg az ezerszemtömeg (22. D ábra) és a szemtermés (22. E ábra) alakulásában jelentős visszaesést idéztek elő az extrém körülmények. A magas hőmérséklet a fajták 1/3-ánál (Plainsman V, Fatima 2, Mv Mambó, Mv Makaróni), a szárazság az ¼-énél kisebb szemszámcsökkenést kiválthatott. A növényenkénti összes szemszám (22. C ábra) és főként az ezerszemtömeg (22. D ábra) csökkenése következtében a szemtermés is szignifikánsan kisebb lett a stresszkezelések hatására.

57

Kontroll %-ban

A

B io mas s za

140

K o n t ro ll H ő (H)

120

Szá razság (SZ ) Sz+H

100 80 60 40 20 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

B

Harve s t inde x

Kontroll %-ban

140

Ko n t ro ll Hő (H)

120

Szárazság (SZ ) Sz+H

100 80 60 40 20 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

Kontroll %-ban

C

140

Szemszám

Ko n t ro ll Hő (H )

120

Szárazság (SZ ) Sz+H

100 80 60 40 20 0

Kontroll %-ban

D

140

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

Eze rs ze mtöme g

Kon t ro ll Hő (H)

120

Szárazság (SZ) Sz+H

100 80 60 40 20 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

Kontroll %-ban

E

140 120 100

Sze mte rmé s

Ko n t ro ll Hő (H) Szárazság (SZ ) Sz+H

80 60 40 20 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

22. ábra Szemtelítődés idején alkalmazott abiotikus stressztényezők hatása a biomasszára (A), a harvest indexre (B), a szemszámra (C), az ezerszemtömegre (D) és a szemtermésre (E) kontroll %-ában M. Huntsman- Maris Huntsman; A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak az adott fajtán belül a kezelések közötti szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

58

A szemszámban és az ezerszemtömegben a hőstressz hatására okozott kisebb, de a szárazság által kiváltott sokkal jelentősebb mértékű csökkenés a szemtermésben is hasonló tendenciájú változást eredményezett. Az Mv Mambó és Franckenkorn kivételével a legtöbb fajtának szignifikánsan csökkent az ezerszemtömege. A szárazságstressz a fajták közül egyedül a Bánkúti 1201-re hatott eltérően, ugyan szignifikánsan csökkent az ezerszemtömeg, de abszolút értékben mégis a legnagyobb ezerszemtömeget e fajta mintáiban mértük. A búza fejlődésének szemtelítődéskori szakaszában alkalmazott stresszek jelentős hatással voltak a terméshozamra. A magas hőmérséklet hatására figyelhető meg a legkisebb termésveszteség, ugyanakkor a szárazság+hő kezelés okozta a legnagyobb terméscsökkenést (22. E ábra). Míg a magas hőmérséklet hatására a termés a fajták ¾-énél, addig a szárazságstressz hatására az összes fajtánál szignifikánsan csökkent. A többi fajtához képest az Mv Mariska, a Bánkúti 1201 és a Franckenkorn terméshozama kiemelkedően magas maradt a hőstressz kezelés ellenére is. Szárazságstressz hatására a legkevesebbet a Fatima 2, a legtöbbet, pedig az Mv Mariska termett. A kombinált magas hőmérséklet és szárazságstressz által kiváltott legkisebb szemtermést a Fatima 2 és Mv Mambó fajtáknál, a legnagyobbat az Mv 15, GK Öthalom és Franckenkorn fajtáknál figyeltük meg. 5.3.5. A szemtermés minőségének vizsgálata 5.3.5.1. A keményítő szemcseméretének módosulása A

gabonaszemek

fejlődési

állapotával

a

szemeket

érő

különböző

stresszekkel

összefüggésben szignifikánsan változik a keményítőszemcsék alakja és eloszlása (Hurkman és mtsai. 2003). Kísérleteinkben is azt tapasztaltuk, hogy a vizsgált B-típusú keményítőszemcsék méretére is jelentős hatással voltak az alkalmazott stresszkezelések. A 7 μm alatti B-típusú keményítőszemcsék térfogat %-át a hőstressz kisebb, a szárazság és a szárazság+hő (Sz+H) együttesen nagyobb mértékben módosította (23. ábra). A Plainsman V. mellett a Maris Huntsman és a GK Öthalom fajták keményítőszemcséinek méretét is szignifikáns mértékben csökkentette a magas hőmérsékleti kezelés. A többi fajta keményítőszemcséire viszont a 15 napig tartó 35 oC nem volt hatással, kívétel a Bánkúti 1201, melynél szignifikáns növekedést tapasztaltunk. A szárazságstressz az Mv Mariskánál váltotta ki a legkisebb (16 %), ugyanakkor a Maris Huntsmannál okozta a legnagyobb mértékű csökkenést (54,3 %). A Fatima 2-nél, a GK Öthalomnál, az Mv Mambónál, a Bezosztaja 1-nél és a Maris Huntsman fajtánál a szárazság nagyobb keményítő degradációt idézett elő, mint a szárazság+hőstressz együttesen.

59

Kontroll Hő (H) Szárazság (Sz) Sz+H

Keményítő szemcseméret (< 7µ m) 150

Kontroll %-ban

125 100 75 50 25 0 Plainsman Fatima 2 V.

Mv Mambó

Mv Maris Bánkúti Bezosztaja Mv Mariska Huntsman 1201 1 Magma

Mv 15

GK Öthalom

23. ábra A búzaszemek B-típusú keményítőszemcséinek méretváltozása szemtelítődés idején alkalmazott hőstressz (H), szárazság (Sz) és szárazság+hőstressz (Sz+H) kezelések hatására (<7 µm B-típusú granulumok térfogat %-ban, 10 búzafajtánál vizsgálva) A kontroll oszlopon lévő szignifikancia vonalak az adott fajtán belül a kezelések közötti szignifikáns különbséget (p < 0,05) mutatják

5.3.5.2. A szemek fehérjetartalmának és fehérje-összetételének változása A búza terméshozamának és minőségének kialakításában a hőmérséklet és a megfelelő vízmennyiség lényeges szerepet játszik. Mivel a stressznek kitett növények jóval korábban kezdtek sárgulni, mint a kontroll növények, ezáltal a tenyészidőszak hossza is jelentősen rövidebbé vált. Ez számottevő hatással volt a szemek minőségének alakulására. A termés minőségének változása azt mutatja, hogy a fajták között jelentős különbségek mutatkozhatnak a stresszre jelentkező minőségváltozás típusában és mértékében. Valamennyi tulajdonság esetén minden tényező szignifikáns volt 0,1 %-os valószínűségi szinten (Függelék 8. táblázata). A szemtermés minőségi tulajdonságainál a kezelés variancia komponens arányát vizsgálva megállapítottuk, hogy 4 tulajdonság esetén (Zeleny-szám, UPP %, Glu/Gli, AG %) a fajta hatása jelentősebb

volt,

mint

a

stresszkezelésé.

A

fehérjetartalomnál,

illetve

a

keményítő

szemcseméretnél viszont a stressz tényező magyarázta a kezelés variancia nagyobb hányadát (Függelék 9. táblázata). A fejlődésben lévő gabonaszemeket érő magas hőmérséklet hatására a termés csökken, ami az alacsonyabb végső keményítőtartalomnak is köszönhető. A szemtömeg (keményítő felhalmozás) csökkenése mellett a fehérje relatív aránya viszont nagymértékben nőtt a stresszkezelések hatására, ami a szemméret, vagyis ezerszemtömeg csökkenésével (22. D ábra), valamint a csökkent keményítőtartalommal is magyarázható volt. A relatív fehérjetartalom legnagyobb mértékű szignifikáns növekedését (24. A ábra) minden fajtánál a szárazság és hőstressz egyidejű hatása okozta, ez átlagosan 28,8 % volt. Az Mv Magmánál már szárazságstressz hatására is nagyobb fehérjetartalmat mértünk, mint a kettős stressznél. A kombinált stresszkezelésnél viszont a Fatima 2, az Mv Mambó és a Mv Mariska fajták voltak a 60

legnagyobb relatív fehérjetartalom növekedéssel jellemezhetők. A hőstresszkezelt növények szemtermésében is tapasztalható volt fehérjetartalom növekedés (átlagosan 10 %), de általában % szárazanyag kontroll %-ban

nem olyan nagy mértékű, mint a szárazságstressznek kitett növényeknél (20 %). A

Fe hé rje tartalom 150

Ko n t ro ll Hő (H) Szárazság (Sz) Sz+H

125 100 75 50 25 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

B

Ze le ny-s zám

Kontroll %-ban

150

Ko n t ro ll Hő (H) Szárazság (Sz) Sz+H

125 100 75 50 25 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

24. ábra A termés fehérjetartalmának (A) és Zeleny-számának (B) módosulása az alkalmazott hőstressz (H), szárazság (Sz) és szárazság+hőstressz (Sz+H) hatására M. Huntsman- Maris Huntsman A kontroll oszlopon lévő szignifikancia vonalak az adott fajtán belül a kezelések közötti szignifikáns különbséget (p < 0,05) mutatják

A fehérjetartalom növekedése azonban nem jelentett jobb technológiai minőséget, hiszen a Zeleny-szám csökkent (24. B ábra), továbbá a sikérfehérjék összetétele is kedvezőtlen irányban változott (25. ábra). A Zeleny-szám a legkisebb mértékben a magas hőmérséklet hatására módosult (24. B ábra). A kombinált stressz hatására még a szárazságstressznél is nagyobb Zelenyszám csökkenés következett be. A hőstressz a legtöbb fajtánál nem okozott kimutatható változást, viszont a Bezosztaja 1 és az Mv Makaróni fajták Zeleny-száma nőtt. Az általunk vizsgált oldhatatlan polimer fehérje frakciónak (25. A ábra) és a glutenin-gliadin aránynak (25. B ábra) a csökkenő értékei a fehérjetartalom növekedése ellenére is a legtöbb esetben a szemtermés minőségének gyengülésére utaltak. A minőségromlásra utaló változások leginkább a szárazság és a szárazság+hő együttes kezelésének hatására jelentkeztek. A magas hőmérséklet a fehérje-összetevők %-os arányában (UPP %, Glu/Gli) a legtöbb fajtánál (Mv Mambó, Mv Mariska, Maris Huntsman, Mv Magma, Mv Makaróni) nem okozott számottevő változást (25. A és B ábra). Voltak fajták, ahol a magas 61

hőmérséklet az UPP %-ban kisebb növekedést eredményezett (25. A ábra), viszont nem okozott szignifikáns módosulást a hozzá tartozó Glu/Gli arányban (25. B ábra). A szárazságstressz 9 fajta UPP %-ban és 7 fajta Glu/Gli arányában váltott ki szignifikáns visszaesést. A kombinált stressz a fajták válaszreakciói alapján a hőstressznél erősebbnek, viszont a szárazságstressznél gyengébb hatásúnak bizonyult a fehérje-összetevők változását tekintve. Az alkalmazott kezelések a tartalékfehérjék közül az albumin-globulin %-ra fejtették ki legkevésbé hatásukat (25. C ábra). Ez abban is megmutatkozott, hogy a hőstressz vagy a szárazságstressz az albumin-globulin %-ban néhány fajtánál emelkedést, másoknál pedig csökkenést váltott ki. Két fajtánál (Mv Mambó, Mv Mariska) viszont a stresszkezelések egyáltalán nem befolyásolták a szemek albumin-globulin %-értékét. A

Oldhatatlan polime r fe hé rjé k (UPP%)

Kontroll-%-ban

1 50 1 25

Ko n t ro ll Hő (H) Szárazság (Sz) Sz+H

1 00 75 50 25 0

B

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

Glute nin-gliadin arány

Kontroll-%-ban

150 125

Ko nt roll Hő (H) Szárazság (Sz) Sz+H

100 75 50 25 0 Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

C

Albumin-globulin%

Kontroll-%-ban

1 50 1 25

K on t ro ll H ő (H ) Szárazság (Sz) Sz+H

1 00 75 50 25 0

Plainsman V. Mv Mambó M. Huntsman Bezosztaja 1 Mv 15 Franckenkorn Fatima 2 Mv Mariska Bánkúti 1201 Mv Magma GK Öthalom Mv Makaróni

25. ábra A szemtermés UPP %-ának (A), glutenin-gliadin arányának (B) és az albumin-globulin %-ának (C) változása a hőstressz, szárazság és a szárazság+hőstressz hatására M. Huntsman- Maris Huntsman; A kontroll oszlopon feltüntetett szignifikancia vonalak az adott fajtán belül a kezelések közötti szignifikáns különbséget mutatják p < 0,05 valószínűségi szinten

62

5.4. Dihaploid populáció hőtűrésének vizsgálata korai embriófejlődési stádiumban 5.4.1. A produkcióbiológiai tulajdonságok változása hőstressz hatására A hőtűrésre hasadó dihaploid populáció létrehozásához olyan genotípusokra volt szükség, melyek a hőtűrőképességükben jelentős eltérést mutattak a vizsgált élettani (pl. klorofilltartalom), produkcióbiológiai tulajdonságaik alapján. Fitotronban végrehajtott kísérletben, szemtelítődés idején hő- és szárazságstressz kezelést kapott fajták közül, a Plainsman V.-t, hőre érzékenyebb, az Mv Magmát, hőre toleránsabb fajtaként választottuk ki a genetikai populáció létrehozásához. A dihaploid populáció hőtűrését tesztelő későbbi üvegházi kísérletben a választott szülőket is bevontuk egy korábbi fejlődési stádiumban, kalászolást követő 6. napon alkalmazott hőstressz hatásának vizsgálatába. 5. táblázat A Plainsman V. (P.V.) és az Mv Magma (M.M.) produkcióbiológiai tulajdonságainak, klorofilltartalmának összehasonlítása üvegházi kísérletben korai embriófejlődés idején, illetve fitotronban szemtelítődés idején

Kalászolást követően Klorofilltartalom Biomassza (g) HI (%) Szemszám (db) ET (g) Szemtermés (g)

Üvegházi-Korai embriófejlődés idején (2010.) Kontroll Hőstressz 6. n. 6. n. 6. n. 6. n. P.V. M.M. P.V. M.M.

SzD5%

Fitotroni-Szemtelítődés idején (2005.) Kontroll Hőstressz 12. n. 12. n. 12. n. 12. n. P.V. M.M. P.V. M.M. SzD5%

47,0

35,3*

1,08

47,9

59,8

29,7* 49,2*

7,1 10,5 4,6* 7,9* 53,0 52,8 43,8* 39,7* 140,0 144,3 78,0* 121,3* 27,0 38,7 26,1* 26,7* 3,8 5,5 2,0* 3,1*

0,1 0,5 3,4 0,9 0,2

7,1 38,5 81,3 33,7 2,8

6,2 39,6 79,4 31,4 2,5

4,0* 34,1* 61,8* 22,1* 1,3*

49,3

13,5*

3,1

6,2 1,3 32,8* 3,7 72,1 17,5 28,2 3,3 2,0* 0,4

HI- Harvest Index, ET-Ezerszemtömeg; 6. n. és 12. n. -kalászolás követően a 6., illetve 12. napon * szignifikánsan különbözik a kontrolltól a p < 0,05 valószínűségi szinten

Két különböző kísérletben a magas hőmérsékletnek a fajtákra kifejtett hatását tanulmányozva megállapítottuk, hogy az Mv Magma klorofilltartalma hasonlóan magas maradt a 35 oC-os kezelés hatására mindkét vizsgálat során. Az Mv Magma jobb tűrőképességét igazolta, hogy a biomasszájában, szemszámában és ezerszemtömegében alig történt számottevő csökkenés a Plainsman V. fajtához viszonyítva szemtelítődés idején. Ugyanakkor más kísérleti körülmények között, korai embriófejlődéskor a hőstressz hatását vizsgálva is sikerült az Mv Magmánál a Plainsman V.-hoz képest magasabb értékeket kimutatnunk. Az Mv Magma klorofilltartalma, biomasszája, szemszáma, illetve szemtermése szintén kisebb mértékben esett vissza korai embriófejlődéskor alkalmazott hőstressz hatására. A Plainsman V.-nek egyedül csak a harvest indexe maradt mindkét kísérletben magasabb a hőkezelés hatására, illetve az ezerszemtömege 63

korai embriófejlődés idején. Az üvegházi kísérlet során végzett hőtűrésvizsgálat is a szemtermés kivételével a fajták közötti szignifikáns különbséget erősítette meg. Megvizsgáltuk az Mv Magma és Plainsman V. szülői vonalak keresztezéséből származó dihaploid vonalból álló populáció hőstressztűrését. A 15 napos hőstressz jelentős változásokat okozott a dihaploid populáció vonalainak átlagában. A magas hőmérsékleti kezelés a biomasszában, a harvest indexben, a szemszámban, az ezerszemtömegben, illetve a termésben szignifikáns csökkenést váltott ki (6. táblázat). A vizsgált paraméterek intervallumainak alsó és felső értékeiben is minden esetben szignifikáns csökkenést lehetett kimutatni. A zászlós levelek klorofilltartalmának szignifikáns visszaesése is alátámasztotta a különböző vonalak eltérő hőtűrőképességét (6. táblázat). Az értékek azt mutatták, hogy voltak olyan vonalak, amelyek képesek voltak közel olyan zöldek maradni a hőkezelés hatására, mint a kontroll társaik (26. A ábra). A növényi vonalak válaszreakcióinak változatosságát a széleskörű gyakorisági eloszlásuk is alátámasztotta. A klorofilltartalom változása arra utalt, hogy egy vagy néhány nagyhatású domináns gén játszhat szerepet a stay-green jelleg kialakításában. Az összes vonal 23 %-ában 25,5 %-os klorofilltartalom csökkenés volt a legáltalánosabb változás a növények között. A szemtelítődés korai fázisában kapott hőstressz változatos válaszreakciókat váltott ki a növényi vonalak biomasszájában és szemszámában a teljes populáción belül. A magas hőmérséklet a legtöbb vonal biomasszájában kb. 20 %-os csökkenést eredményezett (26. B ábra). Emellett még nagy számban voltak olyan növényi vonalak, melyeknél a 10 %-os és 30 %-os biomassza visszaesés volt a jellemző. 6. táblázat A hőstressz (35 oC) okozta változások a dihaploid populáció klorofilltartalmában és terméshozamában Tulajdonságok Klorofilltartalom Biomassza (g) Harvest index Szemszám (db) Ezerszemtömeg (g) Szemtermés (g)

Kontroll Átlag Intervallum 41,8 31,9 - 51,7 6,95 3,7 - 10,2 39 18,6 - 59,4 116,8 43,6 - 190,0 29,55 17,4 - 41,7 3,48 1,28 - 5,68

Hőstressz Átlag Intervallum 24,45* 2,81* - 46,1* 5,25* 2,7* - 7,8* 32,58* 9,76* - 55,4* 86,75* 17,5* - 156* 25,4* 14,2* - 36,6* 2,22* 0,49* - 3,96*

SzD5% 1,08 0,16 0,87 3,4 0,47 0,1

* szignifikánsan különbözik a kontrolltól a p < 0,05 valószínűségi szinten

A vizsgált paraméterek alapján a korai embriófejlődési stádiumban kapott magas hőmérséklet a populáció átlagában, a szemszámban okozta az egyik legnagyobb csökkenést a kontrollhoz képest, mégis jelentős különbséget mutattunk ki az egyedi vonalak reakciójában (26. D ábra). A normál eloszlás arra utalt, hogy a szemszámot több kis gén additív hatása határozza 64

meg. A legtöbb vonal szemszáma a kontrollhoz viszonyítva 30 %-kal csökkent. A populáció vonalai között a legnagyobb 75 %-os szemszám visszaesés 0,76 %-os gyakorisággal fordult elő, a legkisebb csökkenés viszont 2,75 %-os volt és 7,58 %-os gyakorisággal lehetett megfigyelni. Mv Magma

SzD5%=4,29 2

R = 0,8805

20

pop.átlag % Plainsman V.

15 10 5

20

30

40 50 60 70 80 90 100 110 Klorofilltartalom kontroll %-ban Plainsman V. pop.átlag %

Mv Magma

25 20 2

R = 0,9837 SzD5%=3,36

5 0 40

DH vonalak gyakorisága (%)

C

50

60

70

80

90

100

35

15 10 5

SzD5%=2,36

20 15 10 5 50

60

70

80

90

100

Ezerszemtömeg kontroll %-ban

110

SzD5%=4,83

Plainsman V.

20 15

2

10

R = 0,8768

5

30

40

50 60 70 80 90 100 Növény szemszáma kontroll %-ban

Mv Magma

25

25

40

pop.átlag %

D

Plainsman V.

Mv Magma

30

60 70 80 90 100 Növényi biomassza kontroll %-ban

0

pop.átlag %

2

R = 0,9966

50

Mv Magma

0

E

2

R = 0,9813

25

110

Harvest index kontroll %-ban 40

SzD5%=3,56

40

DH vonalak gyakorisága (%)

DH vonalak gyakorisága (%)

30

10

Plainsman V. 20

B

DH vonalak gyakorisága (%)

10

15

pop.átlag %

0

0

A

Mv Magma

25 DH vonalak gyakorisága (%)

DH vonalak gyakorisága (%)

25

pop.átlag %

110

SzD5%=4,45

Plainsman V. 2

20

R = 0,9247

15 10 5 0

110

F

20

30

40 50 60 70 80 90 Szemtermés kontroll %-ban

100

110

26. ábra A dihaploid populáció vonalainak gyakorisági eloszlása (%) klorofilltartalmuk (A), biomasszájuk (B), harvest indexük (C), szemszámuk (D), ezerszemtömegük (E) és szemtermésük (F) alapján hőstresszt követően korai embriófejlődés idején, kontroll %-ban A növények termés eredményeiből számolt harvest index (26. C ábra) és ezerszemtömeg (26. E ábra) változására volt a legkisebb hatással a hőstressz. Mindegyik tulajdonságnál a 10 % körüli csökkenés volt a legáltalánosabb változás. A 10 %-os visszaesés a harvest indexnél jóval kevesebb, az összes vonal 26,5 %-ban (26. C ábra), az ezerszemtömegnél viszont már nagyobb az összes vonal 35 %-ban fordult elő (26. E ábra). Az ezerszemtömegnél a 40–50–60 %-os 65

visszaeséseket csak egy-egy vonal esetében tapasztaltunk. Míg a 20 %-nál kisebb csökkenések az ezerszemtömegnél kb. a teljes populáció 81 %-nál, addig a növényi vonalak harvest indexének ebbe a tartományba eső változása a populáció 70 %-ban következett be. A hőstressz a szemtermésben jelentős veszteséget okozott (26. F ábra). A magas hőmérséklet hatására a szemtermés 30–40 %-os visszaesése a populáció vonalainál egyforma gyakorisággal (21,2 %–21,2 %) következett be. A hőstresszre érzékeny növényi vonalak a legdrasztikusabb 80,5 %-os csökkenéssel, viszont a 3,03 % gyakorisággal előforduló hőtűrők csak 5,8 %-os termésveszteséggel voltak jellemezhetők. A főkalászon az 1 kalászkában lévő szemek száma alapján meghatározható, hogy a kalászkában található virágok közül mennyi termékenyült meg sikeresen és mennyi maradt steril vagy abortálódott (27. ábra). A magas hőmérséklet hatással volt a megtermékenyült virágokból fejlődő magkezdemények abortálódási arányára és így a végső szemszámra is, mivel a hőstressz az 1 kalászkában lévő szemek számát a teljes dihaploid populáció 60,6 %-ban jelentősen csökkentette. A legtöbb vonalnál (28,8 %-a teljes populációnak) átlagosan 1 kalászkában 4,1 %-os szemszámcsökkenést lehetett kimutatni. Voltak olyan vonalak is (33,3 %-ban) viszont, melyeknél a magas hőmérséklet nem csökkenést, hanem növekedést váltott ki. 35

SzD5%=5,05 2

DH vonalak gyakorisága (%)

30

R = 0,973

pop.átlag % Főkalász Mv Magma

25 20

Plainsman V.

15 10 5 0 30

40 50 60 70 80 90 100 110 1 kalászkában lévő szemek száma kontroll %-ban

120

27. ábra A dihaploid vonalak gyakorisági eloszlása (%) 1 kalászkában lévő szemek száma alapján (kontroll %-ban) hőstresszt követően Az Mv Magma szülőnél kisebb volt a sterilitás mértéke a kalászkákban. A Plainsman V. fajta kalászkáiban található korai magkezdemények viszont érzékenyebbnek bizonyultak a hőstressz hatására, nagyobb mértékű abortálódást mutatva (27. ábra). Ez már a növényenkénti összes szemszám változására is kihatott (26. D ábra), ami az Mv Magmánál kisebb, a Plainsman V.-nál nagyobb szemszám csökkenésben nyilvánult meg.

66

5.4.2. A produkcióbiológiai paraméterek közti korrelációs összefüggések vizsgálata A populáció vonalainak produkcióbiológiai tulajdonságai között döntő többségében pozitív korrelációs kapcsolatot mutattunk ki. Egy kivételével, a szemszám és ezerszemtömeg között viszont negatív összefüggés állt fenn és ott is csak a kontroll kezelésnél (7. táblázat). A korai embriófejlődési stádiumban kontroll körülmények között fejlődő növények termésbiológiai tulajdonságai között is kerestünk összefüggéseket. 7. táblázat A produkcióbiológiai tulajdonságok korreláció analízisének összefoglalása kontrollnál, hőstressznél, illetve kontroll vs. hőstressznél Tulajdonságok Biomassza-Szemszám Biomassza-ET Biomassza-Szemtermés HI-Szemszám HI-ET HI-Szemtermés Szemszám-ET Szemszám-Szemtermés ET-Szemtermés Klorofill-Szemszám Klorofill-ET Klorofill-Szemtermés Klorofilltartalom Biomassza Harvest index Szemszám ET Szemtermés

Kontroll Hőstressz 0,773*** 0,713*** 0,011 0,178 0,819*** 0,795*** 0,577*** 0,760*** 0,214* 0,218* 0,725*** 0,831*** -0,338*** -0,178 0,887*** 0,907*** 0,114 0,212* 0,023 -0,071 0,279** 0,050 0,169 -0,076 -

Kontroll vs. Hőstressz 0,197* 0,219* 0,524*** 0,498*** 0,350*** 0,405***

HI- Harvest index, ET- Ezerszemtömeg ; *, **, *** a korrelációs koefficiens kritikus r értékei 0,1946 P= 5 %-nál, 0,254 P= 1 %-nál, 0,3211 P= 0,1 %-nál

Megállapítottuk, hogy a legszorosabb korrelációk, mint a biomassza-szemszám közötti, vagy biomassza-szemtermés, harvest index-termés, szemszám-szemtermés között lévő összefüggések nemcsak kontroll körülmények között, hanem a hőstressz kezelés hatására megváltozott tulajdonságok között is megfigyelhetők voltak a populációban (7. táblázat). A hőstressz kezelésnek kitett növényi vonalaknál a harvest index-szemszám, a harvest index-szemtermés, illetve szemszám-szemtermés között sokkal magasabb pozitív kapcsolatot kaptunk, mint amit kontroll körülményeknél kimutattunk. A klorofilltartalomban bekövetkeztt változások és a termésbiológiai tulajdonságok közti szignifikáns összefüggést csak az ezerszemtömegnél

67

állapítottunk meg kontroll körülményeknél. A többi esetben a szignifikáns szintet el nem érő kisebb kapcsolat volt csak megfigyelhető. A kontroll, illetve hőstresszkezelt növények tulajdonságai közti korrelációt keresve, szoros pozitív összefüggéseket mutattunk ki a harvest indexben, szemszámban, ezerszemtömegben és szemtermésben. A kontrollnál kapott eredményeket a hőstressz kezelésre megváltozott eredményekkel összevetve csak a biomassza és klorofilltartalom esetében állt fenn kisebb korreláció. 5.4.3. A hőstresszkezelt dihaploid vonalak csírázási képességének vizsgálata A hőstressz a kezelt növények főkalászából és mellékkalászából származó búzaszemek csírázási képességében kisebb változást eredményezett (8. táblázat). A magas hőmérsékletnek kitett búzák fő-, illetve mellékkalászának szemeiből fejlődött csíranövények hajtáshosszának, gyökérhosszának és gyökérszámának átlagolt értékeiben jelentősebb csökkenés nem volt kimutatható. Néhány egyedi vonal esetében ennek ellenére mérhetők voltak hajtáshossz, gyökérhossz rövidülések is. A vizsgált tulajdonságok intervallumainak alsó és felső értékei között nagyobb variabilitás mutatkozott a kontrollként kezelt növények fő- és mellékkalászaiból származó szemek csíranövényeinél, mint azoknál a búzaszemeknél, melyek hőstresszkezelt növényből származtak. Az ilyen csíranövények tulajdonságainak kisebb variabilitást mutató intervallumai azt mutatták, hogy a magas hőmérsékleti kezelés alapvetően nem befolyásolta, hanem inkább szinkronizáló hatással volt a búzaszemek csírázási erélyére. 8. táblázat A hőstressz kezelést kapott dihaploid vonalak főkalászából és mellékkalászából származó csíráztatott búzaszemek csíranövényeinek hajtáshossz, gyökérhossz és gyökérszám változása (átlagok, intervallum) Kontroll Főkalász (F.K.) Átlag Interv.

Mellékkalász (M.K.) Átlag Interv.

Hőstressz Főkalász Átlag

Interv.

Mellékkalász Átlag

Interv.

F.K.

M.K.

SzD5% SzD5%

8,0 3,9-12,1 8,2 4,8-11,7 8,2 5,5*-10,9* 8,5* 5,6*-11,5 0,21 Hajtáshossz (cm) Gyökérhossz (cm) 13,2 7-19,4 13,9 7,8-20,1 15,1* 10,8*-19,4 14,4* 9,5*-19,4* 0,27 3* 2,1*-3,9* 0,06 Gyökérszám (db) 3,4 2,2-4,6 3,2 1,9-4,5 3,3* 2,7*-3,8*

0,21 0,26 0,08

* szignifikánsan különbözik a kontrolltól a p < 0,05 valószínűségi szinten

A főkalász esetében a vizsgált tulajdonságok intervallumainak felső értékei alapján a hajtáshossz és a gyökérszám csökkent szignifikáns mértékben a hőstressz hatására (8. táblázat). A mellékkalásznál a hőkezelés hatására, viszont a gyökérhossz és gyökérszám kisebb visszaesése volt megállapítható a kontrollhoz viszonyítva. 68

A hőstresszkezelt növények fő, és mellékkalászából származó szemek csíranövényeinek hajtáshossz, illetve gyökérhossz változása és a 35 oC hatására módosult produkcióbiológiai tulajdonságok között jelentősebb és szorosabb pozitív összefüggés egyedül a szemtermésnél volt kimutatható (9. táblázat). Főkalásznál a csíranövény gyökérszáma és a szemtermés között, illetve a szemszám változása között állt fenn még jelentős szignifikáns korreláció. 9. táblázat A produkcióbiológiai tulajdonságok (kontroll %) és a hőstresszkezelt dihaploid vonalak főkalászából és mellékkalászából származó csíráztatott búzaszemek csíranövényeinek hajtáshossz, gyökérhossz, illetve gyökérszám (kontroll %) változása közti korrelációs összefüggések összefoglalása Hőstressz Hajtáshossz (%) Gyökérhossz (%) Gyökérszám (%) Kontroll %-ban Főkalász Mellékkalász Főkalász Mellékkalász Főkalász Mellékkalász Klorofilltartalom (%) 0,15 -0,04 0,15 -0,01 -0,11 -0,20* Biomassza (%) 0,13 0,24* 0,24* 0,10 0,32** 0,14 Harvest index (%) 0,11 0,25* 0,20* 0,42*** 0,15 0,15 Szemszám (%) 0,30** 0,26** 0,33*** 0,32** 0,43*** 0,17 ET (%) 0,02 0,32** 0,23* 0,26** 0,06 0,08 Szemtermés (%) 0,36*** 0,36*** 0,45*** 0,42*** 0,46*** 0,21* ET-Ezerszemtömeg *, **, *** a korrelációs koefficiens kritikus r értékei P= 5, 1, és 0,1 %-os valószínűségi szinten

69

6. EREDMÉNYEK MEGVITATÁSA

6.1. Eltérő fejlődési stádiumban alkalmazott stresszkezelések hatása a szemtermésre A fitotronban végzett produkcióbiológiai kísérleteink bebizonyították, hogy a hőmérséklet lényeges szerepet játszik a búza terméshozamának, illetve a szemtermés beltartalmi összetevőinek kialakításában. A hő- és szárazságstresszre adott válaszreakció meghatározó tényezője a növények fejlettségi állapota, ugyanis nem elhanyagolható, hogy az őszi búza milyen fejlődési stádiumban van kitéve a magas hőmérséklet hatásának és azt milyen hosszú ideig, illetve milyen erősséggel kapja (Porter és Gawith 1999). A két legérzékenyebb fenofázist kiválasztva, bokrosodás végénszárbaindulás elején (fiatalkori) és szemtelítődéskor (felnőttkori) kapott magas hőmérsékletek számottevő eltérést okoztak a vizsgált fajták terméshozamában és a termés minőségében. A fiatalkorban (bokrosodás végén-szárbaindulás elején) alkalmazott magas hőmérséklet (30 o

C) a vizsgált hat búzafajta kalászolási idejét szignifikánsan lerövidítette a kontroll növények

kalászolási idejéhez képest, ami részben alátámasztotta Rahman és mtsai.-nak (2009) megfigyelt eredményeit is. A magasabb hőmérséklet hatására (30/25 oC) felgyorsult fejlődést, virágzást és érést a kalász hasban lévő állapotáig, kalászolásig, virágzásig és érésig eltelt napok számának szignifikáns csökkenésével bizonyították (Rahman és mtsai. 2009). A fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatásának összehasonlításakor megállapítottuk, hogy azok a búzák, melyek a magas hőmérsékletet a bokrosodás végén-szárbaindulás elején kapták, szignifikánsan nagyobb változással reagáltak a kezelésre, mint a szemtelítődés állapotában lévő növények. A két eltérő fenofázisban alkalmazott hőstressz hatására a termésparaméterekben kiváltott válaszreakciók között nem volt szignifikáns korreláció kimutatható. A növények biomasszája, harvest indexe, szemszáma és szemtermése szignifikánsan nagyobb csökkenést mutatott, mint ami a szemtelítődés alatti stressz hatására bekövetkezett. Különösen a szemszám esetében (fajták átlagában) jelentkezett nagymértékű (51,8 %-os) visszaesés, amellyel együtt a szemtermés (50,47 %-os) is jóval elmaradt a kontroll növények termésétől. A szemek ezerszemtömege néhány fajtánál nagyobb mértékben megemelkedett (Fatima 2, Mv Mambó, GK Öthalom) a kontrollhoz képest. A fajták közül a fiatalkori hőstressz kezelést a termésparaméterei alapján a Plainsman V. fajta bírta a legjobban. Legnagyobb érzékenységgel viszont a GK Öthalom reagált, amit a legnagyobb szemszám- és terméscsökkenés is alátámasztott. Kaur és Behl (2010) két különböző fejlődési stádiumban, hasban lévő kalász fenofázisában és virágzást követően egy héten keresztül 31–34 oC-os hőmérsékletnek tettek ki hőérzékeny és 70

hőtűrő genotípusokat. A magas hőmérséklet a hasban lévő kalász fenofázisában stresszkezelt növények növényenkénti szemtermésének, illetve kalászonkénti szemtömegének nagyobb mértékű csökkenését

eredményezte

(7,3

%)

kontrollhoz

viszonyítva,

mint

a

virágzás

utáni

stresszkezelteknek (3,04 %). Eredményeink hasonlónak tekinthetők abban az értelemben, miszerint a fiatalkori hőstressz mértéke sokkal jelentősebbnek bizonyult, mint a felnőttkorban kapott, de emellett kísérletünkben jóval nagyobb mértékű terméscsökkenést mutattunk ki. Ellenben Hassan (2006) eredményei a magas hőmérséklet hatására bekövetkezett 26 %-os terméshozam csökkenéséről, illetve a kalászkában lévő virágok számának 12 %-os csökkenéséről számoltak be, olyan búzanövényeknél, melyek a zászlós levelek megjelenését követően kapták a 40-42 oC-os kezelést. Kísérletünkben a szemtelítődéskori hőstressz is kedvezőtlenül hatott a termésparaméterekre, csak nem olyan nagymértékben, mint amit fiatalkori hőstressznél megfigyeltünk. A harvest index, ezerszemtömeg és termés tekintetében a 38 oC-os hőmérséklet szignifikánsan erősebb stressznek bizonyult a 35 oC-os kezelésnél, viszont már a jóval melegebb 41 oC nem gyakorolt a produkcióbiológiai paraméterekre nagyobb hatást a 38 oC-os kezelésnél. A fajták egyedi reakcióit értékelve megállapítható volt, hogy a szemtelítődéskor alkalmazott magas hőmérséklet legkevésbé a biomasszát és a szemszámot befolyásolta. Ennek oka csak az lehetett, hogy a magkezdemények egy része már a stresszkezelés előtt kialakult. A 3 oC-onként emelkedő hőmérsékletek hatására ugyan volt kimutatható visszaesés a szemszámban a fajták között, de ez az 5 %-os szignifikancia szintet nem érte el. Eredményeink csak részben támasztják alá Gibson és Paulsen (1999) eredményeit, mivel esetünkben a stresszkezelések csak 12 nappal virágzás után kezdődtek. Szerintük a búzák virágzását követően 15 nappal alkalmazott hőstressz már nem volt hatással a szemszámra, mert ekkorra a szemek már teljesen kialakultak. Míg a termésparaméterei alapján a fiatalkori hőstresszt a legrosszabban a GK Öthalom viselte, addig a felnőttkori magas hőmérsékletet a többi fajta közül a legjobban tolerálta. A szemtelítődés során a magas hőmérsékletnek a szemtermésre kifejtett negatív hatása a szemsúly jelentős csökkenésével is szoros kapcsolatba hozható (Tahir és Nakata 2005), amit az eredményeink is megerősítettek. Stone és Nicolas (1995b) eredményei ellenben, miszerint több mint 8 nappal virágzást követő magas hőmérsékleti kezelés a szemsúlyban nem okozott csökkenést, eltérnek az általunk kimutatott eredményektől. A fehérjetartalom relatív (kontroll %-ban a szárazanyag %-ában kifejezve) változásánál, minden kezelés esetében az összes fajtánál szignifikáns növekedést tapasztaltunk. A fiatalkori kezeléskor bekövetkezett relatív fehérjetartalom növekedés legfőképpen a növényenkénti jelentősebb szemszám- és terméscsökkenésnek volt az eredménye (a szignifikáns ezerszemtömeg 71

és szemátmérő-emelkedés mellett), mivel a fiatalkorban alkalmazott magas hőmérséklet jelentősen csökkenthette a kalászka differenciálódást. A minőségi adatokból készített korrelációs analízis alapján hasonló következtetéseket lehetett levonni. A fiatalkorban stresszkezelt búzafajták termésének és a fehérjetartalmának igen szoros negatív korrelációját tudtuk kimutatni (p ≤ 0,01). A

magas

hőmérséklet

hatására

a

szemtelítődés

fázisában

bekövetkezett

relatív

fehérjetartalom emelkedésére az ezerszemtömegnek, illetve a szemátmérőnek a lecsökkenése szolgálhatott magyarázatul. Ezt a negatív korrelációs összefüggések az ezerszemtömeg és fehérjetartalom, továbbá a termés és relatív fehérjetartalom között szintén alátámasztották. A felnőttkori 41 oC-os hőstressz hatására szignifikáns pozitív kapcsolat állt fenn a növényenkénti összes szemtermés és szemátmérő változása között, vagyis az extrém hő szemtermést csökkentő hatása a szemméret csökkenésével magyarázható szemtelítődés idején. Blumenthal és mtsai. (1995) bizonyítani tudták, hogy a szemtermés minőségét nemcsak a 35 oC, hanem az annál magasabb hőmérséklet is jelentősen képes módosítani a szemtelítődési periódus alatt. A 3 napon át naponként 10 órán keresztül, 40

o

C-nak kitett búzafajták szemtermése szignifikáns

fehérjenövekedéssel és ezerszemtömeg csökkenéssel volt jellemezhető. A relatív fehérjetartalom emelkedésének ellenére a Zeleny-szám, az oldhatatlan polimer fehérje % (UPP %) és Glu/Gli arány csökkenése mind a minőség romlására utaló tulajdonságok. A felnőttkori stresszkezelés esetén a sütőipari minőséggel összefüggő Zeleny-szám szignifikáns csökkenése minden fajtánál kimutatható volt, annak ellenére, hogy a relatív fehérjetartalom növekedését tapasztaltuk. A 35, 38, illetve 41 oC-os hőmérsékletek között viszont nem volt kimutatható változás. Egyedül csak a Fatima 2 és Bánkúti 1201 fajtáknál volt szignifikáns különbség a 41 oC-os és a másik kettő kezelés között. A fiatalkori fenofázisnál a hőstressz teljesen ellentétes hatást váltott ki a búzaszemek Zelenyszámában. Csak a Plainsman V. fajtánál volt kimutatható minőségromlásra utaló változás, ugyanakkor az összes többi fajtánál a Zeleny-szám nagy mértékű megemelkedését kaptuk. Általában a kisebb UPP % és a Glu/Gli arány a legtöbb esetben a technológiai minőség gyengülésére utalnak a fehérjetartalom relatív növekedése ellenére is. Blumenthal és munkatársai (1995) szerint a tészta gyengülő tulajdonságai a hőstressz hatására bekövetkező glutenin-gliadin arányban és a nagy méretű glutenin polimerek százalékában történt csökkenésnek voltak köszönhetőek, ami megegyezik az általunk kapott adatokkal. Kutatásaik szerint a Glu-Dld allél (glutenin 5 és 10 alegységek) hasznos lehet a toleranciára való nemesítésben, növelve a gluteningliadin arányát és az igen nagy glutenin polimerek %-át. A fiatalkori 30 oC-os kezelésnél az UPP % kevésbé alkalmas paraméternek mutatkozott a hőstressz hatására bekövetkező minőségromlás kimutatására, mint a Glu/Gli arány. Csak egy fajta, 72

a GK Öthalom volt UPP % csökkenéssel jellemezhető, míg a Glu/Gli arány szignifikáns csökkenése az összes fajta termésének minőségromlására utalt a megemelkedett Zeleny-szám és fehérjetartalom relatív növekedése ellenére. A felnőttkori hőstressz kezelésnél a szemek fehérje-összetevőiben bekövetkezett minőségromlásra utaló változások leginkább a 41 oC-os kezelés következményeként jelentkeztek kísérletünkben. A 35 oC-os és 38 oC-os hőmérsékletek viszont vagy nem okoztak jelentősebb eltérést a fehérje-összetevőkben vagy éppen ellenkező változást idéztek elő. Minőségromlásra tehát az UPP %, illetve a glutenin/gliadin arányának 41 oC-os kezelés hatására bekövetkező csökkenése utalt leginkább.

6.2. Az antioxidáns enzimrendszer változása fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására A

különböző

fejlődési

stádiumban

alkalmazott

magas

hőmérsékleti

stresszek

termésprodukcióra és minőségre kifejtett hatásának értékelése után részletesebb vizsgálatot folytattunk a magas hőmérsékletnek az antioxidáns enzimek (GR, GSH-S-Tr., GPx, APx, CAT) aktivitására gyakorolt hatásáról. Az antioxidáns enzimaktivitással kapcsolatos vizsgálataink során kimutattuk, hogy a fiatalkori hőstressz idején nemcsak a stresszkezelt növények, hanem a kontroll növények antioxidáns enzimaktivitása is változik. A kezeletlen növények kisebb antioxidáns enzimaktivitás növekedése volt megfigyelhető 7 nap elteltével, mind az öt vizsgált enzimnél, ami összefügghetett a fiatalabb, intenzívebb fejlődési állapotukkal. Janda és mtsai. (2007) is megfigyelték, hogy számos tényező közrejátszhat az enzimaktivitás módosulásában. Például normál körülmények közötti öregedés csökkenést okozhat a CAT és növekedést a peroxidázok enzimaktivitásában. De ilyen lehet a hidegedzés is, mely csökkentette a kataláz enzimaktivitását (Janda és mtsai. 2003). A magas hőmérséklet hatására az öt antioxidáns enzimből 3 enzim aktivitása, – a GSH-S-Tr., az APx és a CAT – szignifikánsan megnövekedett a vizsgált őszi búzáknál. Számos kutatás állítása szerint ezeknek az enzimeknek a megemelkedett aktivitása hozzájárulhat a különböző stresszekkel szembeni tolerancia kialakulásához (Foyer mtsai. 1991, Sairam és mtsai. 1997/1998, 2002, Almeselmani 2006). A magas hőmérséklettel szembeni ellenállóképesség és a magas antioxidáns enzimaktivitás között összefüggést mutattak ki a gabonafélék vizsgálata során (Zhau és mtsai. 1995, Sairam és mtsai. 2000). Az aszkorbát-glutation ciklus tagjaként az APx és a GR enzimek fontos szerepet játszanak a kloroplasztiszban történő, a fotoszintetikus elektrontranszport folyamán generált ROS-ák 73

semlegesítésében (Danna és mtsai. 2003). Más kutatások szerint a H2O2-ot metabolizáló kulcsfontosságú APx enzim eltérően aktiválódott a vizsgált fajtákban (Dash és Mohanty 2002, Janda és mtsai. 2003, Veisz és mtsai. 2004). Northern blot analízissel is bizonyították, hogy az APx gén expressziója fokozódik a hőstressz hatására, mind vegetatív, mind virágzáskori stádiumban (Almeselmani és mtsai. 2009), amit a vizsgálati eredményeink is alátámasztottak. Irina és mtsai. szerint (2002) a kezelt növényekben kiváltott APx aktivitás sokkal érzékenyebb a hőstresszre, mint a GR. Ezt az általunk kapott eredmények is igazolták, miszerint a hőstresszre az APx aktivitásában intenzívebb növekedést tapasztaltunk, ellenben a GR enzimnél alig volt változás. A GR kevésbé mutatott érzékenységet a magas hőmérsékleti kezelésre mindkét vizsgált fenofázisban. Előfordult azonban, hogy a GR aktivitásának csökkenéséről számoltak be vegetatív és 15 nappal virágzást követő stádiumban viszonylag toleráns genotípusoknál, amiknek még így is magasabb antioxidáns aktivitása volt, mint más érzékeny fajtáknak (Almeselmani és mtsai. 2006). Csíranövényekben is kimutatták a GR aktivitásának kisebb csökkenését 30–35 oC-os kezelés eredményeként. A 35 és 40 oC közötti növekedési hőmérsékleten ellenben már az antioxidáns enzim aktivitásának intenzív emelkedését tapasztalták a vizsgált genotípusokban (Dash és Mohanti 2002). Sabeva és Nedeva (2008) megállapításai szerint a H2O2-t bontó kataláz antioxidáns enzim a legérzékenyebb az alkalmazott stresszekre. A CAT aktivitása fokozódott nem letális 30–35 oC-os körülmények között a vizsgált csíranövényekben. Ezzel szemben a 40 oC-os stresszkezelés már inaktivációt okozott a fiatal csíranövények CAT aktivitásában (Dash és Mohanty 2002). A levelekben és gyökerekben lecsökkent CAT aktivitás ugyanis a lipid peroxidáció fokozódását eredményezheti, amit a megemelkedett malondialdehid (MDA) tartalom is jelez. Az általunk rögzített eredmények Sabeva és Nedeva (2008) eredményeit támasztják alá, mivel a hőstressz mind fiatalkori stádiumban, mind felnőttkorban a CAT antioxidáns enzim aktivitásának nagy mértékű megemelkedését eredményezte a stressz hatására termelődött ROS-okkal szembeni védekezés és a jobb hőtűrőképesség kialakítása érdekében. A GSH-S-Tr. is a növényi antioxidáns rendszer fontos része. Mind a fiatalkori és felnőttkori hőstressz hatására kimutatott GSH-S-Tr. antioxidáns enzim intenzív megemelkedése bizonyíthatja a sejtekben található károsító molekulák fokozott jelenlétét, aminek detoxifikálásában a GSH-STr. nagymértékben részt vesz. Különösen magas enzimaktivitás jellemezte a fajtákat a felnőttkori hőkezelés idején mindkét vizsgálati időpontban. A GPx antioxidáns enzim volt az egyetlen, amely kiemelkedett az aktivitáscsökkenésével a többi enzim közül. A GPx enzim hőstresszre való reakcióját a fiatalkori hőkezelésnél erőteljes szignifikáns csökkenés jellemezte, ami azt sejteti, hogy a GPx nem kulcsfontosságú antioxidáns 74

enzim a búzanövények hőtűrésének kialakításában, annak ellenére, hogy fontos szerepet játszik a ROS-ok detoxifikálásában. A fiatalkori hőstressz okozta aktivitásvisszaeséssel szemben viszont a GPx aktivitásában a felnőttkori hőstressz nem váltott ki jelentősebb aktivitásváltozást. Azoknál az antioxidáns enzimeknél (APx, CAT, GSH-S-Tr.), melyek aktivitásuk megnövekedésével reagáltak a hőstresszre fiatalkori fenofázisban, felnőttkori kezelés esetén is emelkedés volt kimutatható. Úgy tűnt viszont, hogy a felnőttkori hőstressz több fajtánál, nagyobb számban okozott aktivitásemelkedést, mint a fiatalkorban alkalmazott magas hőmérséklet. A fajták az ellenállóképességüket a hőstresszel szemben az antioxidáns enzimek fokozott aktivitásával próbálták növelni. A fiatalkori hőstressz kezelésre a Bánkúti 1201 és az Mv Magma reagált a legtöbbször szignifikáns antioxidáns enzimaktivitás növekedésével. A felnőttkori magas hőmérséklet azonban a többi négy fajta estén (Plainsman V., Fatima 2, Mv Mambó, GK Öthalom) eredményezett több antioxidáns enzimnél szignifikáns aktivitásemelkedést. Sairam és mtsai. (2000) kutatásai alapján a különböző búzafajták tűrőképessége összefüggésbe hozható az antioxidáns enzimaktivitásukkal, bár az összes antioxidáns enzim, ami az oxidatív stressz hatását ellensúlyozná és javítaná, nem mutatott egységes aktivitásnövekedést a vizsgált toleráns genotípusokban. Liu és Huang (2000) megállapították, hogy az antioxidáns enzimek csökkent aktivitása a lipid peroxidáció megnövekedését eredményezheti. Így az antioxidánsok csökkent aktivitása hozzájárulhat a sejtmembránok károsodásához és a levelek öregedéséhez, amit a megnövekedett elektrolit szivárgás, csökkent Fv/Fm fluoreszcencia indukció, illetve csökkent klorofilltartalom is jelezhet a hőstressz folyamán. Fontos hangsúlyozni, hogy bizonyos ROS-ok, mint a H2O2 nem csak káros molekulaként fordulnak elő a különböző fiziológiai folyamatokban, hanem szignál molekulaként is működnek számos specifikus és aspecifikus védelmi mechanizmus aktiválásában. Így az oxidatív károkkal szembeni védekező rendszer tagjai nem csak a ROS-ok eltávolításában játszanak szerepet, hanem egyensúlyt próbálnak tartani a szignálfolyamatok és destruktív hatások között (Suzuki és Mittler 2006). A fiatalkorban és felnőttkorban alkalmazott hőstressz hatására megváltozott antioxidáns enzimek aktivitása között pozitív korrelációs kapcsolatot mutattunk ki. Fontosnak tartottuk az antioxidáns enzimek közötti összefüggés-vizsgálatot, mivel ezek az enzimek sok esetben nem önállóan, hanem egymás működését kiegészítve fejtik ki hatásukat a növényekben. A fiatalkori hőstressz kezelés alatt álló búzáknál a kezelés 7. napján egyedül a CAT és a GR között kaptunk pozitív korrelációt. A felnőttkori hőstressz hatására termelődött H2O2 hatékony eltávolításáért felelős APx és CAT enzimek között is pozitív korreláció volt kimutatható. Annak ellenére, hogy ezek az enzimek 75

nem ugyanabban a sejtalkotóban fejtik ki H2O2-elimináló képességüket, mégis kölcsönösen erősíthetik egymás hatását. Az aszkorbát-glutation ciklusban a H2O2 semlegesítésében résztvevő APx és GR között kimutatott pozitív korrelációs kapcsolat is megerősítette az oxidatív sérülésekkel szemben nyújtott védelmi szerepüket hőstressz idején. Bencze és mtsai (2011) szárazságstressz hatására toleráns és érzékenynek tartott különféle genotípusokat vizsgálva hasonló pozitív összefüggéseket mutattak ki a vizsgált antioxidáns enzimek aktivitása között (GR és CAT, illetve GR és APx között). Megállapították, hogy az antioxidáns enzimekkel foglalkozó kutatásokban kapott változatos válaszreakciók az egyedi genotípusok eltérő jellemvonásainak is köszönhetők. Az antioxidáns enzimek megváltozott aktivitásából tehát megállapítható, hogy fontos szerepet játszanak a hőstressz hatására fokozottabb mértékben megjelenő toxikus vegyületek semlegesítésében és összességében a hőtűrőképesség kialakításában, annak ellenére, hogy a hőstresszre adott antioxidáns válaszok különböznek a vizsgált fajtáknál a különböző fejlődési állapotokban.

6.3. Szemtelítődéskori hő- és szárazságstressz fiziológiai hatásának vizsgálata A levél klorofilltartalma és a klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értéke által jelzett fotokémiai hatékonyság szoros kapcsolatban van a kloroplasztisz integritásával és a fotoszintetikus kapacitással (Krause és Weis 1991). Ezt igazolta az általunk kimutatott hő- és szárazságstressz hatására módosult klorofilltartalom és klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értéke közötti pozitív korreláció is. Az összes fajta klorofilltartalmának átlagos változását tekintve, megállapítottuk, hogy szárazság hatására lényegesen nagyobb csökkenés (a kezelés 15. napján 55 %) következett be a klorofilltartalomban a kontrollhoz képest, mint a magas hőmérséklet hatására (30 %). A legnagyobb mértékű klorofill pigment leépülést a kombinált stressz váltotta ki, ami már a kezelés 5. napján (30 %-os csökkenés) is jelentős mértékű volt. A szárazságstressznél a 9. napon mért 10 %-os klorofill csökkenés a kombinált stressznél már a 3. napon kimutatható volt, vagyis az öregedési folyamatok hamarabb következtek be a kettős stressz hatására. A szárazság és hőstressz okozta élettani változások folytán a levelek klorofilltartalma gyorsan bomlásnak indult, ezáltal a kontrollhoz képest korábban kezdtek sárgulni. Ezek az eredmények megerősítik Jiang és Huang (2001), illetve Bencze (2005) vizsgálatai során kapott eredményeket, mely szerint a növényeket érő stresszek hatására a levelek relatív víztartalma és a levelekben található klorofill mennyisége gyorsabban lecsökkent, mint a kezeletlen növényeké. Ennek következményeként a fotoszintetikus aktivitásuk is drasztikus mértékben visszaesett, és így gyorsabban érték el az aratási érettséget. A 76

búzát érés alatt érő stresszhatások az öregedési folyamatok felgyorsulását is kiválthatták, aminek következtében a fotoszintézis során képződött asszimilátumok szemekbe történő transzlokációja lerövidült, vagyis a szemtermés érése jóval hamarabb játszódott le, mint az az optimális körülmények között bekövetkezett volna. A fotoszintetikus aktivitás visszaesésének egyik oka a sztómák bezáródása, a másik oka a fotoszintézis negatív szabályozása, amely a szárazság, és/vagy a magas hőmérséklet együttes hatására következik be. Eredményeink alátámasztották Martinez és mtsai.-nak (2003) megfigyeléseit, mely szerint a virágzás utáni szárazság jelentősen felgyorsítja a búza zászlós levelének klorofill lebomlását, amit aztán a Rubisco és a PSII fénygyűjtő komplexének (LHCII) degradációja is követ (Martinez és mtsai. 2003). A PSII max. kvantumhatásfokában bekövetkező változásokat sötétadaptált zászlós leveleken mért klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm paraméterének ingadozásai alapján határoztuk meg (Balla és mtsai. 2006). Ez a paraméter a fotoszintézis folyamatát is jellemzi, de természetesen ebből a növény karboxilációjának mértéke nem állapítható meg. Összességében viszont igazoltuk, hogy a klorofill fluoreszcencia Fv/Fm intenzitása összefüggést mutatott a különböző kezelésekkel. A kontroll növények Fv/Fm értékéhez viszonyítva a hőstressz hatására kiváltott fotoszintetikus aktivitásváltozás nem eredményezett szignifikáns különbséget a fajták között, ami eltérést mutat Liu és Huang (2000) eredményeitől. A különbséget egyrészt az eltérő hosszúságú (56 napos) stresszkezelés és más fajhoz tartozó vizsgált genotípusok is eredményezhették. Agrostis (tippan) fajoknál a levelek Fv/Fm értékének és klorofilltartalmának csökkenését tapasztalták mind a hőre érzékeny, mind a hőre toleráns genotípusoknál, bár ez utóbbinál kisebb mértékben. Kimutatták, hogy hőstressz folyamán az Fv/Fm értéknek és a klorofilltartalomnak a csökkenése károsítja a leveleket és/vagy a levél öregedéséhez vezet. A klorofill fluoreszcencia és klorofilltartalom visszaesése a fotoszintetikus kapacitás csökkenését eredményezi, minden bizonnyal a kloroplasztisz membránok károsodása következtében (Krause és Weis 1991). Szárazság hatására jóval intenzívebb klorofill fluoreszcencia Fv/Fm értékcsökkenés volt kimutatható. A szárazság által kiváltott eltérő Fv/Fm értékeknek köszönhetően a vizsgált búzafajtákat két különböző fotoszintetikus aktivitású csoportba lehetett sorolni. Az Mv Makaróni képezte a választóvonalat az Fv/Fm értékének lineáris csökkenésével a két, szárazságra érzékenyebbnek és toleránsabbnak tűnő csoport között. A szárazságstressz kezelés 8. napjára a klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értéke 46 %-os, a 15. napra pedig már 92 %-os csökkenéssel reagált a fajták átlagában. A szárazság+hőstressz kezelés a legnagyobb mértékű fotoszintetikus aktivitáscsökkenéshez vezetett, annyira, hogy a 15. napon a szárazság okozta csökkenés a kettős stressznél már a 8. napon (98 %-os visszaesés) kimutatható volt. Xu és mtsai. 77

(1995) virágzás után vizsgálták a búza zászlós levelének fotoszintetikus aktivitását, illetve klorofilltartalmát. A legalacsonyabb hőmérsékleti kezelés (15/10 oC) váltotta ki a legkisebb változást, viszont a 35/30 oC-os hőmérséklet olyan mértékben degradálta a fotoszintetikus működést, hogy az egy-két héten belül teljesen összeomlott. Hassan (2006) búzákon, illetve Jiang és Huang (2000) réti perjén tett megállapításai szerint azonban a vizsgált klorofill fluoreszcencia Fv/Fm értéke a szárazság hatására drasztikus mértékben lecsökkent, viszont hőstressz hatására alig változott, amit az általunk kapott eredmények is megerősítettek. Szárazság hatására az Mv Mambó fotoszintetikus aktivitásával kiemelkedett a többi fajta közül, amit a legmagasabb és leghosszabb ideig fennmaradó klorofilltartalom is elősegíthetett. Az eredményeink alátámasztották Li és mtsai. (2006) által kapottakat, miszerint a szárazságra érzékeny genotípusok klorofill fluoreszcencia Fv/Fm paraméterének és klorofilltartalmának jelentős csökkenését mutatták ki virágzást követően szárazság hatására. A szárazságtűrőbb genotípusok klorofilltartalma és Fv/Fm értéke viszont szignifikánsan magasabb maradt a kezelést követően, mint az érzékeny genotípusoké.

6.4. A hő- és szárazságstressz hatása a termésre szemtelítődés alatt Fitotroni

kísérletben

tanulmányoztuk

a

magas

hőmérsékleti

kezelés

mellett

a

szárazságstressznek a termés mennyiségére és minőségére kifejtett hatását. Kimutattuk, hogy a szárazság

és

a

szárazság+hőstressz

lényegesen

nagyobb

hatással

van

a

növények

produkcióbiológiai tulajdonságaira, mint a hőstressz önmagában. A harvest indexben és szemszámban történt változások közül az utóbbi tulajdonság volt az egyik legkevésbé érzékeny az alkalmazott stresszekre, mivel a növények már a szemtelítődés állapotában voltak. Mégis a Plainsman V., a Fatima 2, Mv Mambó és az Mv Makaróni fajtáknál a szemszám szignifikáns csökkenését mutattuk ki a hőstressz hatására. Mohammadi és mtsai. (2004) viszont szignifikáns változást nem tapasztaltak magas hőmérséklet hatására a szemszámban. Ausztráliai fajtákkal végzett vizsgálatok alapján is hasonló megállapításokra jutottak, miszerint a növények a virágzás utáni első három napban voltak a legérzékenyebbek a magas hőmérsékletre, amely idő alatt a szemek száma a legjobban lecsökkent (Stone és Nicolas 1995a). A több mint 8 nappal virágzás utáni magas hőmérsékleti kezelés viszont sem a szemszámban, sem a deformált szemek számában nem okozott változást (Stone és Nicolas 1995b). Csökkenő tendencia volt kimutatható kísérletünkben az ezerszemtömeg értékekben is, ahol a szárazság hatására 45 %-os, a kettős stressz eredményeként még nagyobb, 63 %-os visszaesés következett be. A növényenkénti összes szemszám és főként az ezerszemtömeg csökkenése következtében a szemtermés szignifikánsan kisebb lett a stresszkezelések hatására. Míg a fajták 78

átlagában a termést szárazság idején 54 %-os, szárazság + hőstressznél pedig 69 %-os csökkenés jellemezte, addig a hőstressz csak 27 %-os termésromlást okozott. Gibson és Paulsen (1999) virágzás után 10 nappal, a kísérletünkhöz képest 2 nap különbséggel 35/20 oC-os hőstressznek tett ki búzanövényeket és 78 %-os termés és 63 %-os szemszám csökkenést mutattak ki (20/20 oC-hoz viszonyítva). A virágzás után 15 nappal alkalmazott hőstressz azonban a búzák terméshozamát már csak 18 %-kal rontotta le. A kísérleti eredmények közti eltérésekre a vizsgálatokban szereplő különböző genotípusok és a virágzást követően alkalmazott stresszkezelések eltérő kezdési időpontja is magyarázatot adhat. A termés, illetve a szemsúly csökkenése a hőstressz hatására az alacsonyabb keményítőtartalomnak is köszönhető (Denyer és mtsai. 1994). Valószínűleg a keményítő szintézis mértéke lecsökken a hőstressz hatására, a rövidebb szemfejlődési periódus következtében. A keményítő szintézisében részt vevő enzim aktivitásának elvesztése magas hőmérsékleten meglehetősen gyors, viszont néha ezek az enzimek részlegesen képesek újjáépülni, mikor visszakerülnek a magas hőmérsékletről a hűvösebb körülmények közé (Jenner és mtsai. 1994). A hőstressz

után

keletkezett

zsugorodott

szemek

csökkent

szemsúlya

a

visszaeső

keményítőakkumuláción keresztül következhetett be (Labuschagne és mtsai. 2009). A gabonaszemek fejlődési állapotával szignifikánsan változik a keményítő granulumok alakja és eloszlása (Bechtel és mtsai. 1990, Hurkman és mtsai. 2003). Kísérletünkben is a magas hőmérsékleti kezelés és a szárazság közti különbségek a keményítőszemcsék méret szerinti eloszlásában bekövetkezett szignifikáns változással igazolhatók voltak. Megállapítottuk, hogy míg a 7 μm alatti B-típusú keményítőszemcsék térfogat %-t a hőstressz kisebb, addig a szárazság és a szárazság+hő

együttesen

jóval

nagyobb

mértékben

módosította.

Mivel

a

B-típusú

keményítőszemcsék (1–10 μm) kialakulása kb. 12 nappal, a növekedésük csak 21 nappal virágzás után kezdődik meg (Bechtel és mtsai. 1990), ez magyarázatul szolgálhat arra, hogy az alkalmazott szárazság és hő hatással volt a B típusú keményítőszemcsék fejlődésére. A B-típusú szemcsék számának csökkenését, míg az A-típusú szemcsék számának növekedését mutatták ki Li és munkatársai (2010), amit a mi eredményeink is alátámasztottak a vizsgált kisebb keményítőszemcse esetében. A szárazságstresszt és kombinált hő- és szárazságstresszt eltérő szárazság-tűrőképességű genotípusokon a szemfejlődés 5-9. napja között is vizsgálták (Fábián és mtsai. 2011). Szövettani vizsgálatok igazolták, hogy a megporzást követő 1-5. nap között fellépő stressz hatására a szem fejlődése a vizsgált genotípusoknál jelentősen felgyorsult. A szem fejlődésének 14. napján a kontrollhoz viszonyítva az endospermiumban nagy mennyiségű A-típusú keményítőszemcse felhalmozását tapasztalták. Míg nagyszámú B-típusú keményítőszemcsét csak a kontroll növények 79

szemeiben mutattak ki, a szárazságstressznek kitett szárazságra érzékeny genotípusnál egyáltalán nem, a szárazságtűrő genotípusnál pedig elvétve fordult elő B-típusú keményítőszemcse. Ezzel ellentétben, az általunk szárazságnak kitett összes genotípusnál, igaz csökkent mértékben, de ki lehetett mutatni B-típusú keményítőt. Zhang és munkatársai (2010) megállapításait, miszerint a virágzás utáni vízhiány néhány fajtánál csökkentette a B-granulumok (<10 µm átmérőben) térfogat %-át és felületi %-át, az általunk kapott eredmények is megerősítették. Kimutatták, hogy a magas amilóztartalmú nagy szemcséket kevésbé befolyásolta a szárazságstressz, mint az alacsony amilóztartalmú kis keményítőszemcséket (B-típus) (Zhang és mtsai. 2010). Többek között a fajta genotípusa is döntő módon befolyásolhatja a szárazság hatását a keményítő szemcseméret megoszlásánál a búzaszemekben (Singh és mtsai. 2008). A csökkent keményítőakkumuláció mellett a búzaszem fehérjetartalmának relatív növekedését a szárazság (átlagosan 20 %) és a szárazság+hőstressz (átlagosan 28,8 %) sokkal jobban befolyásolta, mint a magas hőmérsékleti kezelés (9,86 %). Ez a nagyobb ezerszemtömeg csökkenéssel is magyarázható volt a szárazság- és a kombinált stresszeknél. Az általunk kapott relatív fehérjetartalom emelkedések megegyeztek a mások által is tapasztalt magas hőmérséklet hatására bekövetkezett fehérjetartalom növekedéssel (Ciaffi és mtsai. 1996, Stone és mtsai. 1997, Bencze és mtsai. 2004). A relatív fehérjetartalom növekedés ebben a kísérletben sem volt összefüggésbe hozható jobb technológiai minőséggel, mert a Zeleny-szám csökkenése és a sikérfehérjék

összetételének

kedvezőtlen

alakulása

(csökkenése),

illetve

a

jelentős

terméscsökkenés párhuzamosan a rosszabb minőségre is utaltak. A szemek fehérjetartalma minél jobban megemelkedett a kezelések hatására, annál nagyobb mértékben csökkent a Zeleny-szám. A szárazságkezelt növények szemtermésének Zeleny-száma átlagosan 19,4 %-kal, a kombinált stressznek kitetteké közel ennek a duplájával esett vissza. A Zeleny-szám sütőipari szempontból lényeges paraméter, mivel minél inkább csökkent értékeket kapunk, annál inkább tömörebb és kisebb térfogatú cipóra számíthatunk végeredményként. A szemekben a tartalék fehérjéknek a kialakulása, majd felhalmozódása a virágzás utáni időszakban kulcsfontosságú. Kutatások szerint nemcsak a keményítő szemcsemérete, hanem a fehérje-összetevők is igen érzékenyek lehetnek a szélsőséges időjárási körülményekre, mivel a kialakulóban lévő fehérjéket érő stressz meghatározó jelentőségű lehet a végső szemminőség szempontjából (Zhao és mtsai. 2009). Kísérleteinkben a 35 oC-os magas hőmérséklet a legkevésbé okozott egységes változást a búzafajták termésének fehérje-összetételében (gluteninek, gliadinok, albumin-globulinok). Bizonyos fajtáknál a rövid ideig tartó hőstressz (>35 oC) hatására a liszt, illetve a tészta sütőipari minőségi jellemzői megváltoztak, és ezek közül néhány a glutenin-gliadin 80

arányának növekedésével (Blumenthal és mtsai. 1991) és a nagyobb molekulasúlyú gluteninek arányának csökkenésével volt összefüggésbe hozható (Wardlaw és mtsai. 2002). A közepesen magas 25–32 oC-os hőmérséklet viszont pozitív hatással volt a tészta tulajdonságaira (Wrigley és mtsai. 1994) és a gliadin frakció összetételének módosulásaihoz vezetett (Daniel és Triboï 2002). Eredményeink alapján az alkalmazott szárazságstressz a hőstressznél sokkal jelentősebb hatást fejtett ki a fehérje-összetevők %-os megoszlására (az UPP %-ra, illetve a Glu/Gli arányra). A szárazságstressz hatására bekövetkezett UPP % és Glu/Gli csökkenésekből a legtöbb fajta fehérje-összetevőinek minőségromlására lehetett következtetni, még abban az esetben is, mikor a szemek relatív fehérjetartalma szignifikáns mértékben megemelkedett. Ez kimutatható volt a kettős stresszkezelés esetén is, a vizsgált fajták 50 %-nál főként a Glu/Gli csökkenő értékeiben. A tartalék fehérjék akkumulációja kb. a virágzás utáni 6. naptól kezdődik és eltart egészen a szemtelítődés végső szakaszáig. Az albumin-globulinok felhalmozódása viszont a virágzástól kb. a virágzás utáni 20. napig tart. Kimutatások szerint általában már ezután nem is változnak, állandó szinten maradnak (Gupta és mtsai. 1996, Stone és Nicolas 1996, Panozzo és mtsai. 2001). Eredményeink alapján is a tartalékfehérjék albumin-globulin % értékére az alkalmazott kezelések nem voltak számottevő hatással.

6.5. Dihaploid populáció hőtűrésének vizsgálata korai embriófejlődési stádiumban Szemtelítődéskor, illetve korai embirófejlődés idején két különböző kísérletben a hőstressznek a Plainsman V. és az Mv Magma fajták produkcióbiológiai tulajdonságaira és klorofilltartalmára kifejtett hatását tanulmányozva igazoltuk az Mv Magma jobb hőtűrőképességét a Plainsman V. fajtával szemben. Megállapítottuk, hogy a 35 oC-os kezelés hatására az Mv Magma klorofilltartalmában, biomasszájában, szemszámában és szemtermésében alig történt számottevő csökkenés a Plainsman V. fajtához képest mindkét kísérletben, illetve az ezerszemtömegében szemtelítődés idején. Így a korai szemfejlődés idején végzett hőtűrésvizsgálat is a szemtermés kivételével a fajták közötti szignifikáns különbséget erősítette meg. Így ezt a két fajtát használtuk szülői partnerként a dihalpoid populáció létrehozására. Az Mv Magma és Plainsman V. szülők keresztezéséből származó dihaploid populáció vonalai között eltérő hőtűrőképességet mutattunk ki, melyet a magas hőmérsékleti kezelés hatására szignifikánsan lecsökkent termés és biomassza produkció értékei is alátámasztottak. Blum és munkatársai (2001) által létrehozott random beltenyésztett vonalak (RIL) szignifikáns terméscsökkenéssel reagáltak a hőstresszre, melyet megerősítenek az általunk kapott eredmények is. A populáció vonalainál a produkcióbiológiai paramétereik (szemszám és termés, biomassza és 81

termés, harvest index és termés, harvest index és szemszám, biomassza és szemszám) között fennálló összefüggéseket a kapott pozitív korrelációs kapcsolatok is igazolták. A zászlós levelek klorofilltartalmának szignifikáns visszaesése is megerősítette a növényi vonalak hőstresszel szembeni eltérő érzékenységét. Mohammadi és mtsai (2009) számos búzafajta hő- és szárazságtűrését vizsgálva a klorofilltartalomban bekövetkezett eltérő csökkenésekről számoltak be, amit a kapott eredményeink is alátámasztottak. A szemtelítődéskori hőstresszel szemben a korai embriófejlődési stádiumban alkalmazott magas hőmérséklet már jóval jelentősebb csökkenést okozott a vonalak szemszámában, amit az egyedi vonalak reakciója között is ki lehetett mutatni. Mohammadi és munkatársai (2004) kimutatták, hogy a 3 napig alkalmazott 35/30 oC-os hőmérséklet 10 nappal virágzás után jelentősen lecsökkentette a szemek és a kalász súlyát. A szemek számában a mi eredményeinkkel ellentétben nem tapasztaltak változást, amit a kalászoláshoz képest később adott hőkezelés is magyarázhat. Az esetünkben a legtöbb vonal szemszáma a kontrollhoz viszonyítva 30–40 %-kal csökkent. A képződött szemek száma függ a kalászkák számától, valamint az egy kalászkában lévő szemek számától. A főkalászon az 1 kalászkában lévő szemek számának meghatározásából következtetni tudtunk a megtermékenyült virágokból tovább fejlődő magkezdemények számára. Így megállapítottuk, hogy a korai embriófejlődési stádiumban alkalmazott magas hőmérséklet növelte a fejlődésnek indult szemkezdemények abortációját. A korai embriófejlődési stádiumban produkcióbiológiai tulajdonságok közti összefüggéseket vizsgálva megállapítottuk, hogy a legszorosabb (p≤ 0,001) pozitív korrelációk nemcsak kontroll körülmények között, hanem a hőstressz következtében megváltozott tulajdonságok között is megfigyelhetők voltak a populációban. A 35 oC-nak kitett növényi vonalaknál a harvest indexszemszám, a harvest index-szemtermés, illetve szemszám-szemtermés között sokkal magasabb pozitív kapcsolatot kaptunk, mint amit kontroll körülményeknél kimutattunk. A klorofilltartalomban bekövetkeztt változások és a termésbiológiai tulajdonságok közti szignifikáns összefüggést csak az ezerszemtömegnél állapítottunk meg kontroll körülményeknél. A hőstressz kezelésre megváltozott eredményeket a kontroll eredményeivel összevetve a biomasszánál és klorofilltartalomnál kisebb korrelációt, a harvest indexben, szemszámban, ezerszemtömegben és szemtermésben szorosabb pozitív összefüggést mutattunk ki. Megállapítottuk, hogy a magas hőmérsékletnek kitett búzák fő-, illetve mellékkalászának szemeiből fejlődött csíranövények hajtáshosszának, gyökérhosszának és gyökérszámának átlagolt értékeiben jelentősebb csökkenés nem volt kimutatható. Fábián és mtsai. (2008) szárazságtűrő és szenzitív genotípusok csírázási képességét vizsgálva, nem tudtak szignifikáns különbséget kimutatni a kontroll és szárazságstressznek kitett növények szemei között a csírázási gyakoriság 82

értékében. Esetükben az érzékenynek tartott genotípus (seminal root) gyökérszámában jóval nagyobb csökkenés következett be, mint a toleráns genotípusnál. Eredményeink szerint a hőstresszkezelt

növények

szemeiből

származó

csíranövények

vizsgált

tulajdonságaiból

meghatározott intervallumok alapján a magas hőmérsékleti kezelés alapvetően nem befolyásolta, hanem inkább szinkronizáló hatással volt a búzaszemek csírázási erélyére. Néhány egyedi vonal esetében azonban mérhetők voltak hajtáshossz, gyökérhossz rövidülések is, ami a vizsgált populáció eltérő hőtűrőképességére utal. A hajtáshossz, illetve gyökérhossz változása és a 35 oC hatására módosult szemtermés

között tapasztaltunk

jelentősebb és szorosabb pozitív

összefüggéseket, jelezve, hogy a hőstresszre kisebb terméscsökkenéssel reagáló vonalak szemtermésének csírázási erélye is jobb, mint a hőstresszre érzékenyebbnek bizonyult vonalaké.

83

7. EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA A szélsőségesen magas hőmérséklet az egyik leggyakrabban előforduló abiotikus stressz, mely a szárazsággal együttesen nagy veszélyt jelenthet hazánk növénytermesztésére, negatívan befolyásolva a kalászos gabonák termesztésének hatékonyságát. Ezért szükségesnek tartottuk a hőstressznek a kalászos gabonafélékre gyakorolt hatásának részletes kutatását. Ennek érdekében eltérő genetikai hátterű búzafajták stressztűrő-képességét tanulmányoztuk kontrollált klímakamrás kísérletekben, speciálisan szabályozott környezeti feltételrendszerek alkalmazásával az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet fitotronjának növénynevelő kamráiban. Különböző fejlődési stádiumban, bokrosodás végén-szárbaindulás elején, illetve szemtelítődés idején vizsgáltuk a különböző hőmérsékleti kezeléseknek és a hőstresszel gyakran együtt fellépő szárazságstressznek a köztermesztésben is sikeresen szereplő fajták produkcióbiológiai és élettani tulajdonságaira kifejtett hatását. A létrehozott dihaploid populáció pedig lehetőséget teremtett a hőstressztűrésnek, a vizsgált termésbiológiai tulajdonságok közti összefüggéseknek a tanulmányozására, melyek a hőstressztűrés genetikai alapjainak kutatását teszik lehetővé a jövőben. Főbb eredményeink az alábbiak:

7.1. A hőstressz hatása különböző fenofázisokban •

A bokrosodás végén-szárbaindulás elején (fiatalkorban) alkalmazott magas hőmérséklet (30oC) a vizsgált búzafajták főhajtásainak kalászolási idejét szignifikánsan lerövidítette és a képződött oldalhajtások jelentős részének elszáradását eredményezte.

•

Megállapítottuk, hogy a fiatalkori fejlődési stádiumban alkalmazott hőstressz jelentősebb hatással volt a termésparaméterek alakulására, mint felnőttkori fejlődési stádiumban. A fiatalkorban stresszkezelt növények búzaszemeinek ezerszemtömeg értékében növekedést, míg a felnőttkorban (kalászolás után 12 nappal) hőstresszt kapott növényi szemtermés ezerszemtömegének jelentős csökkenését mutattuk ki.

•

A fiatalkori hőstressz hatására több, mint 50 %-os szemszámcsökkenést mutattunk ki a fajták átlagában, mely drasztikus termésveszteséget vont maga után. A szemtelítődéskor alkalmazott magas hőmérséklet a búzafajták többségénél jelentős mértékben nem befolyásolta a szemszámot.

•

Kimutattuk, hogy a szemtelítődés idején alkalmazott 38 oC-os hőmérséklet a termés, harvest index és ezerszemtömeg változását tekintve szignifikánsan erősebb stressznek bizonyult a 35

84

o

C-os kezelésnél. Viszont a 41 oC már nem okozott nagyobb veszteséget a produkcióbiológiai

tulajdonságokban, mint a 38 oC-os kezelés. •

Igazoltuk, hogy a szemek fehérje-összetevőinek lecsökkent UPP %-a és a Glu/Gli aránya a szemtermés minőségének gyengülésére utaltak a fehérjetartalom megemelkedésének ellenére is, amit csak a szemtelítődéskori 41 oC-os magas hőmérséklet váltott ki leginkább. A bekövetkezett minőségromlásra a Zeleny-szám visszaesése és a szemtermésben okozott jelentős csökkenés is utalt.

•

Kimutattuk, hogy a fiatalkori 30 oC-os hőstressz következményeként a relatív fehérjetartalom emelkedése jelentősen magasabb volt, mint a szemtelítődéskorban kiváltott fehérjetartalom növekedés. A kapott szignifikáns Zeleny-szám emelkedés viszont a Glu/Gli aránynak a szignifikáns csökkenésével járt együtt.

7.2. Az antioxidáns enzimek szerepe a hőtűrésben •

Kimutattuk, hogy a fiatalkori hőstressz idején nemcsak a stresszkezelt növények, hanem a kontroll növények antioxidáns enzimaktivitása is változott. A még szárbaindulás elején lévő kezeletlen növények antioxidáns enzimaktivitása kisebb növekedéssel volt jellemezhető a stresszkezelés 1. napjától a 7. napra mind az öt vizsgált enzimnél.

•

Igazoltuk, hogy a magas hőmérséklet hatására a glutation-S-transzferáz, az aszkorbátperoxidáz, illetve a kataláz antioxidáns enzimek aktivitása szignifikánsan megnövekedett a stresszkezelt búzafajták többségében mindkét fenofázisban, melynek szerepük lehet a hőstressz káros hatásainak kivédésében.

•

Megállapítottuk, hogy a guajakol-peroxidáz enzim aktivitása csökkent magas hőmérsékleten a búzák fiatalkori fejlődési állapotában. Így a GPx valószínűsíthetően nem játszik szerepet a búzanövények ellenállóképességének javításában. A glutation-reduktáz a legkisebb érzékenységgel volt jellemezhető a hőstresszre adott enzimaktivitása alapján mindkét vizsgált fenofázisban.

•

A fiatalkorban és felnőttkorban alkalmazott hőstressz hatására az antioxidáns enzimek aktivitásában bekövetkezett változások között pozitív (APx-CAT, GR-CAT, APx-GR) korrelációs kapcsolatot mutattunk ki, mely annak megerősítésére szolgál, hogy az antioxidáns enzimek komplex módon egymásra hatva fejtik ki hatásukat a hőstresszel szembeni védekezésben.

85

7.3. A magas hőmérséklet és a szárazság hatásának vizsgálata •

A kezelt növények klorofilltartalmának átlagos változását tekintve megállapítottuk, hogy szárazság hatására sokkal nagyobb csökkenés következett be a klorofilltartalomban, mint a magas hőmérséklet hatására. A hőstresszhez képest a szárazság okozta élettani változások folytán a levelek klorofilltartalma gyorsabban bomlásnak indult, így a kontrollhoz képest korábban érték el az aratási érettséget. A legnagyobb mértékű és leggyorsabb klorofill pigment leépülést a kettős stressz (H+SZ) váltotta ki.

•

Míg a hőstressz nem eredményezett nagy különbséget a legtöbb búzafajta sötétadaptált zászlós levelein mért klorofill fluoreszcencia indukció Fv/Fm értékében, addig a szárazságstressz a PSII max. kvantumhatásfokában bekövetkezett változása alapján a vizsgált búzafajtákat szárazságra való érzékenységük szerint toleránsabb és érzékenyebb csoportba választotta szét.

•

Kimutattuk, hogy a szárazság és a szárazság+hőstressz lényegesen nagyobb hatással volt a növények produkcióbiológiai tulajdonságaira és termésminőségére, mint a hőstressz önmagában.

•

Megállapítottuk, hogy míg a 7 μm alatti B-típusú keményítőszemcsék térfogat %-t a hőstressz kisebb, addig a szárazság és a szárazság+hő együttesen jóval nagyobb mértékben módosította.

•

Az alkalmazott hő, szárazság és kombinált stresszek közül a szárazság okozott leginkább minőségromlásra utaló csökkenést a fehérjeösszetevők %-os megoszlásában (az UPP %-ban, illetve

a

Glu/Gli

arányában).

A

szárazságstressz

hatására

bekövetkezett

relatív

fehérjetartalom emelkedés a kettős stressz hatására még hatványozottabb növekedésben nyilvánult meg. A magas hőmérséklet is befolyásolta a szemtermés minőségét, viszont nem olyan jelentős mértékben, mint ami szárazság hatására bekövetkezett.

7.4. A hőstressz vizsgálata hasadó búzapopulációban •

Szemtelítődéskor, illetve korai embriófejlődés idején két különböző kísérletben a hőstressznek a Plainsman V. és az Mv Magma fajták produkcióbiológiai tulajdonságaira és klorofilltartalmára kifejtett hatását tanulmányozva igazoltuk az Mv Magma jobb hőtűrőképességét a Plainsman V. fajtával szemben.

•

Létrehoztunk egy genetikai populációt, amelyben jelentős variabilitást azonosítottunk a hőstresszel szemben a produkcióbiológiai tulajdonságok és a klorofilltartalom változása 86

alapján. Ez alkalmassá teszi a populációt későbbiekben a hőtűrés genetikai hátterének tanulmányozására. •

A főkalászon az egy kalászkában lévő szemek számának meghatározásából következtetni tudtunk

a

megtermékenyült

virágokból

továbbfejlődő

magkezdemények

számára.

Megállapítottuk, hogy a korai embriófejlődési stádiumban alkalmazott magas hőmérséklet növelte a fejlődésnek indult szemkezdemények abortációját. •

A hasadó populáció produkcióbiológiai paramétereinek összefüggés-vizsgálata alapján szoros pozitív korrelációkat mutattunk ki nemcsak a hőstressz hatására megváltozott biomassza

és

termésprodukció

különböző

tulajdonságai

között,

hanem

kontroll

körülményeken vizsgált tulajdonságok között is. A hőstresszkezelésre megváltozott eredményeket

a

kontroll

eredményeivel

összevetve

szintén

szorosabb

pozitív

összefüggéseket kaptunk számos termésbiológiai tulajdonság között. •

Megállapítottuk, hogy a magas hőmérsékletnek kitett búzák fő-, illetve mellékkalászának szemeiből fejlődött csíranövények hajtáshosszának, gyökérhosszának és gyökérszámának átlagolt értékeiben jelentősebb csökkenés nem volt kimutatható. A magas hőmérsékleti kezelés alapvetően nem befolyásolta a búzaszemek csírázási erélyét, néhány egyedi vonal esetében azonban mérhetők voltak hajtáshossz, gyökérhossz rövidülések is.

•

A csíranövények hajtáshossz, illetve gyökérhossz változása és a 35 oC hatására módosult szemtermés között tapasztaltunk jelentősebb, szorosabb pozitív összefüggéseket, jelezve, hogy a hőstresszre kisebb terméscsökkenéssel reagáló vonalak szemtermésének csírázási erélye is jobb, mint a hőstresszre érzékenyebbnek bizonyult vonalaké.

87

8. SUMMARY Studies were made on the effect of various high temperatures and of drought, which often occurs in combination with heat stress, on the yield, grain quality and physiological traits of cereals when applied in two different phenophases, at first node appearance and during grain filling. Heat stress was found to have a greater influence on yield parameters when applied to young plants than in the adult stage of development. In response to heat stress in the earlier phenophase, a reduction in grain number of over 50 % was detected, averaged over the varieties, resulting in substantial yield losses. The relative rise in the protein content in response to stress was not correlated with better technological quality due either to a drop in the Zeleny index or to the unfavourable gluten protein composition, both of which indicate poorer grain quality. Most of the wheat varieties exhibited a significant rise in the activity of the antioxidant enzymes GSH-S-Tr, APx and CAT in response to high temperature, regardless of the phenophase in which stress was applied, indicating that these enzymes may play a role in defence against the damaging effects of heat stress. Correlation analysis confirmed that the protective action of antioxidant enzymes involved complex interactions between the individual enzymes. Drought caused a much greater deterioration in physiological and yield traits than heat stress, and the damage became even more pronounced for the combined stress. It was demonstrated that, compared to heat stress, drought and combined stress resulted in a much greater modification in the size of the B-type starch granules in wheat kernels. Of all the stress factors applied, drought caused the largest decline in protein components, thus having a negative effect on grain quality. A doubled haploid population, developed by crossing a sensitive and a tolerant wheat variety, exhibited considerable variability in the heat stress response, in terms of yield components and chlorophyll content. Correlation analysis on the yield parameters of the segregating population revealed close positive correlations between the biomass achieved after heat stress and various yield traits, but it was found that heat stress had little influence on the germination properties of wheat grains. The DH population, which proved to be a useful tool for the investigation of heat tolerance, will be used in the future to study the genetic background of heat tolerance.

88

9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Kutatómunkámhoz

és

dolgozatom

elkészítéséhez

nyújtott

segítségükért,

szakmai

irányításukért köszönetemet fejezem ki témavezetőimnek, Dr. Veisz Ottónak és Dr. Karsai Ildikónak. Köszönöm az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet vezetőségének, különösen Dr. Bedő Zoltán igazgató úrnak, hogy támogatta munkámat, és Ph.D. tanulmányaim elvégzését. Köszönöm Dr. Bencze Szilviának, hogy tanácsaival segítségemre volt disszertációm elkészítésében, mindemellett rengeteg szakmai és baráti tanáccsal ellátva segítette tudományos munkámat. Köszönet illeti Kuti Csabát és a Biometria Csoport tagjait, akik az adatok kiértékelésében és számos számítógéppel kapcsolatos probléma megoldásában a segítségemre voltak. Külön köszönöm a Kalászos Gabona Rezisztencia Nemesítési Osztály dolgozóinak, akik áldozatos munkájukkal segítségemre voltak kísérleteim kivitelezésében és feldolgozásában. Köszönöm Dr. Vida Gyulának, hogy tanácsaival segítette dolgozatom elkészítését. Dr. Rakszegi Mariann-nak és a Minőségvizsgáló Laboratórium dolgozóinak szeretném megköszönni a szemtermés minőségének meghatározásában nyújtott segítségét. Köszönöm Dr. Páldi Emilnek, Dr. Janda Tibornak hogy lehetővé tették és szakmai tanácsaikkal elősegítették a Biokémiai laboratóriumban végzett munkámat, továbbá köszönet a csoport dolgozóinak, akik a fotoszintézis mérésekhez és az antioxidáns enzimaktivitás meghatározásokhoz segítséget nyújtottak. Köszönettel tartozom a Növénynevelési és a Műszaki Csoportnak a fitotroni kísérleteknél végzett lelkiismeretes munkájukért. Köszönöm a Növénytermesztési Osztálynak, különösen Dr. Berzsenyi Zoltánnak, Dr. Árendás Tamásnak, Dr. Bónis Péternek és az osztály többi dolgozójának, hogy rendelkezésemre bocsátott készülékeikkel és tanácsaikkal elősegítették és támogatták disszertációm elkészítését. Szeretném megköszönni Harasztos Barbarának, hogy angol nyelvű publikációink elkészítéséhez segítséget nyújtott. Végül köszönet illeti családomat, szüleimet, testvéremet, nagynénémet és páromat, hogy mindig mellettem álltak és szeretetükkel támogattak.

89

10. FELHASZNÁLT IRODALOM Acevedo, E., Nachit, M., Ferrara, G. O. (1991): Effects of heat stress on wheat and possible selection tools for use in breeding for tolerance. In: Saunders, D. A. (ed.), Wheat for the Nontraditional Warm Areas. CIMMYT, Mexico, pp. 401-421. Almeselmani, M., Deshmukh, P. S., Sairam, R. K. (2009): High temperature stress tolerance in wheat genotypes: role of antioxidant defence enzymes. Acta Agron. Hung., 57, 1-14. Almeselmani, M., Deshmukh, P. S., Sairam, R. K., Kushwaha, S. R., Singh, T. P. (2006): Protective role of antioxidant enzymes under high temperature stress. Plant Sci., 171, 382388. Altenbach, S. B., DuPont, F. M., Kothari, K. M., Chan, R., Johnson, E. L., Lieu, D. (2003): Temperature, water and fertilizer influence the timing of key events during grain development in a US spring wheat. J. Cereal Sci., 37, 9-20. Altenbach, S. B., Kothari, K. M., Lieu, D. (2002): Environmental conditions durnig wheat grain development alter temporal regulation of major glutein protein genes. Cereal Chem., 79, 279-285. Amani, I., Fischer, R. A., Reynolds, M. P. (1996): Canopy temperature depression associated with yield of irrigated spring wheat cultivars in a hot climate. J. Agron. Crop Sci., 176, 119-129. Araus, J. L., Amaro, T., Voltas, J., Nakkoul, H., Nachit, M. M. (1998): Chlorophyll fluorescence as a selection criterion for grain yield in durum wheat under Mediterranean conditions. Field Crop Res., 55, 209-223. Araus, J. L., Slafer, G. A., Reynolds, M. P., Royo, C. (2002): Plant breeding and drought in C3 cereals: what should we breed for? Ann. Bot., 89, 925-940. Ádám, A., Bestwick, C. S., Barna, B., Mansfield, J. W. (1995): Enzymes regulating the accumulation of active oxygen species during the hypersensitive reaction of bean to Pseudomonas syringae pv. Phaseolicola. Planta, 197, 240-249. Balla, K., Bedő, Z., Veisz, O. (2006): Effect of heat and drought stress on the photosynthetic processes of wheat. Cereal Res. Commun., 34, 381-385. Balogh, A., Hornok, M., Pepó, P. (2007): Study of physiological parameters in sustainable winter wheat (Triticum aestivum L.) production. Cereal Res. Commun., 35, 205-208. Barnabás, B., Jäger, K., Fehér, A. (2008): The effect of drought and heat stress on reproductive processes in cereals. Plant Cell Environ., 31, 11-38. Bartholy, J., Pongrátz, R. (2007): Regional analysis of extreme temperature and precipitation indices for the Carpathian Basin from 1946 to 2001. Global Planet Change, 57, 83-95. Bartholy, J., Pongrátz, R. (2008): Regionális éghajlatváltozás elemzése a Kárpát-medence térségére. In: Harnos, Zs., Csete, L. (szerk.) Klímaváltozás: Környezet – Kockázat – Társadalom. pp. 15-53. 90

Batey, I. L., Gupta, R. B., MacRitchie, F. (1991): Use of size-exclusion high-performance liquid chromatography in the study of wheat flour proteins: an improved chromatographic procedure. Cereal Chem., 68, 207-209. Batts, G. R., Ellis, R. H., Morrison, J. I. L., Nkemka, P. N., Gregory, P. J., Hadley, P. (1998): Yield and partitioning in crops of contrasting cultivars of winter wheat in response to CO 2 and temperature in field studies using temperature gradient tunnels. J. Agr. Sci., 130, 1727. Bechtel, D. B., Zayas, I. Y., Kaleikau, L., Pomeranz, Y. (1990): Size distribution of wheat starch granules during endosperm development. Cereal Chem., 67, 59-63. Bencze, S., Bamberger, Zs., Janda, T., Balla, K., Bedő, Z., Veisz, O. (2011): Drought tolerance in cereals in terms of water retention, photosynthesis and antioxidant enzyme activities. Cent. Eur. J. Biol., 6, 376-387. Bencze, S., Veisz, O., Bedő, Z. (2004): Effects of high atmospheric CO 2 and heat stress on phytomass, yield and grain quality of winter wheat. Cereal Res. Commun., 32, 75-82. Bencze, S., Veisz, O., Bedő, Z. (2005): Effects of elevated CO2 and high temperature on the photosynthesis and yield of wheat. Cereal Res. Commun., 33, 385-388. Bernacchi, C. J., Portis, A. R., Nakano, H., von Caemmerer, S., Long, S. P. (2002): Temperature response of mesophyll conductance. Implications for the determination of Rubisco enzyme kinetics and for limitations to photosynthesis in vivo. Plant Physiol., 130, 1992-1998. Bhullar, S. S., Jenner, C. F. (1985): Differential responses to high temperatures of starch and nitrogen accumulation in the grain of four cultivars of wheat. Aust. J. Plant Physiol., 12, 363-375. Blum, A., Klueva, N., Neguyen, H. T. (2001): Wheat cellular thermotolerance is related to yield under heat stress. Euphytica, 117, 117-123. Blum, A., Mayer, J., Golan, G. (1988): The effect of grain number per ear (sink size) on source activity and its water relations in wheat. J. Exp. Bot., 39, 106-114. Blumenthal, C., Bekes, F., Gras, P. W., Barlow, E. W., Wrigley, C. W. (1995): Identification of wheat genotypes tolerant to the effects of heat stress on grain quality. Cereal Chem., 72, 539-544. Blumenthal, C., Wrigley, C. W., Batey, I. L., Barlow, E. W. R. (1994): The heat-shock response relevant to molecular and structural changes in wheat yield and quality. Aust. J. Plant Physiol., 21, 901-909. Blumenthal, C. S., Batey, I. L., Bekes, F., Wrigley, C. W., Barlow, E. W. R. (1991): Seasonal changes in wheat-grain quality associated with high temperatures during grain-filling. Aust. J. Agr. Res., 42, 21-30. Bukhov, N. G., Wiese, C., Neimanis, S., Heber, U. (1999): Heat sensitivity of chloroplasts and leaves: leakage of protons from thylakoids and reversible activation of cyclic electron transport. Photosyn. Res., 59, 81-93.

91

Cai, R. G., Yin, Y. P., Zhao, F. M., Zhang, M., Zhang, T. B., Liang, T. B., Gu, F., Dai, Z. M., Wang, Z. L. (2008): Size distribution of starch granules in strong-gluten wheat endosperm under low light environment. Sci. Agr. Sin., 41, 1308-1316. Camejo, D., Rodríguez, P., Morales, M. A., Dell’amico, J. M., Torrecillas, A., Alarc´on, J. J. (2005): High temperature effects on photosynthetic activity of two tomato cultivars with different heat susceptibility. J. Plant Physiol., 162, 281-289. Camp, P. J., Huber, S. C., Burke, J. J., Moreland, D. E. (1982): Biochemical changes that occur during senescence of wheat leaves. I. Basis for the reduction of photosynthesis. Pl. Physiol., 70, 1641-1646. Cassman, K. G., Bryant, D. C., Fulton, A. E., Jackson, L. F. (1992): Nitrogen supply effects on partitioning of dry matter and nitrogen to grain of irrigated wheat. Crop Sci., 32, 12511258. Chaves, M. M., Pereira, J. S., Maroco, J. (2002): How plants cope with water stress in the field. Photosynthesis and Growth. Ann. Bot., 89, 907-916. Chinnusamy, V., Khanna-Chopra, R. (2003): Effect of heat stress on grain starch content in diploid, tetraploid and hexaploid wheat species. J. Agron. Crop Sci., 189, 242-249. Ciaffi, M., Tozzi, L., Borghi, B., Corbellini, M., Lafiandra, D. (1996): Effect of heat shock during grain filling on the gluten protein composition of bread wheat. J Cereal Sci., 24, 91-100. Corbellini, M., Canevar, M. G., Mazza, L., Ciaffi, M., Lafiandra, D., Borghi, B. (1997): Effect of the duration and intensity of heat shock during grain filling on dry matter and protein accumulation, technological quality and protein composition in bread and durum wheat. Aust. J. Plant Physiol., 24, 245-260. Crafts-Brandner, S. J., Salvucci, M. E. (2002): Sensitivity to photosynthesis in the C4 plant, maize to heat stress. Plant Physiol., 129, 1773-1780. Csajbók, J., Kutasy, E., Borbély, H. E., Lesznyák, M. (2007): Comparing the photosynthetic activity of maize, winter wheat, potato and some significant weed. Cereal Res. Commun., 35, 325-328. D’Souza, S. F., Nathawat, N. S., Nair, J. S., Radha Krishna, P., Ramaswamy, N. K., Singh, G., Sahu, M. P. (2009): Enhancement of antioxidant enzyme activities and primary photochemical reactions in response to foliar application of thiols in water-stressed pearl millet. Acta Agron. Hung., 57, 21-31. Daniel, C., Triboï, E. (2000): Effects of temperature and nitrogen nutrition on the grain composition of winter wheat: effects on gliadin content and composition. J. Cereal Sci., 32, 45-56. Daniel, C., Triboï, E. (2002): Changes in wheat protein aggregation during grain development: effects of temperatures and water stress. Eur. J. Agron., 16, 1-12. Danna, C. H., Bartoli, C. G., Sacco, F., Ingala, L. R., Santa-Maria, G. E., Guiamet, J. J., Ugalde, R. A. (2003): Thylakoid-bound ascorbate peroxidase mutant exhibits impaired electron transport and photosynthetic activity. Plant Physiol. 132, 2116-2125. 92

Dash, S., Mohanty, N. (2002): Response of seedlings to heat-stress in cultivars of wheat: Growth temperature-dependent differential modulation of photosystem 1 and 2 activity, and foliar antioxidant defense capacity. J. Plant Physiol., 159, 49-59. De Ronde, J. A. D., Cress, W. A., Kruger, G. H. J., Strasser, R. J., Staden, J. V. (2004): Photosynthetic response of transgenic soybean plants containing an Arabidopsis P5CR gene, during heat and drought stress. J. Plant Physiol., 61, 1211-1244. Denyer, K., Hylton, C. M., Smith, A. M. (1994): The effect of high temperature on starch synthesis and the activity of starch synthase. Aust. J. Plant Physiol., 21, 783-789. Donald, C. M. (1962): In search of yield. J. Austr. Inst. Agr. Sci., 28, 171-178. DuPont, F. Altenbach, S. (2003): Molecular and biochemical impacts of environmental factors on wheat grain development and protein synthesis. J. Cereal Sci., 38, 133-146. Egli, D. (1998): Seed Biology and the Yield of Grain Crops. CAB International, New York, NY, USA. Ellis, R. P., Cochrane, M. P., Dale, M. F. B., Duffus, C. M., Lynn, A., Morrison, I. M., Prentice, R. D. M., Swanston, J. S., Tiller, S. A. (1998): Starch production and industrial use. J. Sci. Food Agr., 77, 289-311. Esfandiari, E., Shakiba, M. R., Mahboob, S. A., Alyari, H., Shahabivand, S. (2008): The effect of water stress on the antioxidant content, protective enzyme activities, proline content and lipid peroxidation in wheat seedling. Pakistan J. Biol. Sci., 11, 1916-1922. Fábián, A., Jäger, K., Rakszegi, M., Barnabás, B. (2011): Embryo and endosperm development in wheat (Triticum aestivum L.) kernels subjected to drought stress. Plant Cell Rep., 30, 551563. Fábián, A., Jäger, K., Barnabás, B. (2008): Effects of drought and combined drought and heat stress on germination ability and seminal root growth of wheat (Triticum aestivum L.) seedlings. Acta Biol. Szeged., 52, 157-159. Ferris, R., Ellis, R. H., Wheeler, T. R., Hadley, P. (1998): Effect of high temperature stress at anthesis on grain yield and biomass of field grown crops of wheat. Plant Cell Environ. 34, 67-78. Fowler, D. B. (2003): Crop nitrogen demand and grain protein concentration of spring and winter wheat. Agron. J., 95, 260-265. Foyer, H. C., Lelandais, M., Galap, C., Kunert, K. J. (1991): Effects of elevated cytosolic glutathione reductase activity on the cellular glutathione pool and photosynthesis in leaves under normal and stress conditions. Plant Physiol., 97, 863-872. Gebbing, T., Schnyder, H. (1999): Pre-anthesis reserve utilization for protein and carbohydrate synthesis in grains of wheat. Plant Physiol., 121, 871-878. Gibson, L. R., Paulsen, G. M. (1999): Yield components of wheat grown under high temperature stress during reproductive growth. Crop Sci., 39, 1841-1846.

93

Gupta, R. B., Batey, I. L., MacRitchie, F. (1992): Relationships between protein composition and functional properties of wheat flours. Cereal Chem., 69, 125-131. Gupta, R. B., Khan, K., MacRitchie, F. (1993): Biochemical basis of flour properties in bread wheats. I. Effects of variation in the quality and size distribution of polymeric protein. J. Cereal Sci., 18, 23-41. Gupta, R. B., Masci, S., Lafiandra, D., Bariana, H. S., MacRitchie, F. (1996): Accumulation of protein subunits and their polymers in developing grains of hexaploid wheats. J. Exp. Bot., 47, 1377-1385. Harding, S. A., Guikema, J. A., Paulsen, G. M. (1990): Photosynthetic decline from high temperature stress during maturation of wheat. I. Interaction with senescence processes. Plant Physiol., 92, 648-653. Harmati, I. (1987): A búza vízigénye, vízfogyasztása, és vízhasznosítása. (Water requirements, water consumption and water utilisation of wheat.) In: Wheat Production Manual (Ed. Barabás Z.) Mezőgazdasági Kiadó, Budapest. Hassan, I. A. (2006): Effects of water stress and high temperature on gas exchange and chlorophyll fluorescence in Triticum aestivum L. Photosynthetica, 44, 312-315. Havaux, M. (1993): Rapid photosynthetic adaptation to heat stress triggered in potato leaves by moderately elevated temperatures. Plant Cell Environ., 16, 461-467. Havaux, M., Tardy, F. (1996): Temperature-dependent adjustment of the thermal stability of photosystem II in vivo: possible involvement of xanthophyll-cycle pigments. Planta, 198, 324-333. Heckathorn, S. A., Downs, C. A., Sharkey, T. D., Coleman, J. S. (1998): The small, methioninerich chloroplast heat-shock protein protects photosystem II electron transport during heat stress. Plant Physiol., 116, 439-444. Howarth, C. J. (2005): Genetic improvements of tolerance to high temperature. In: Ashraf, M., Harris, P. J. C. (eds.), Abiotic Stresses: Plant Resistance Through Breeding and Molecular Approaches. Howarth Press Inc., New York. Hrušková, M., Švec, I. (2009): Wheat hardness in relation to other quality factors. Czech J. Food Sci., 27, 240-248. Hurkman, W. J., Mccue, K. F., Altenbach, S. B., Korn, A., Tanaka, C. K., Kothari, K. M., Johnson, E. L., Bechtel, D. B., Wilson, J. D., Anderson, O. D., Dupont, F. M. (2003): Effect of temperature on expression of genes encoding enzymes for starch biosynthesis in developing wheat endosperm. Plant Sci., 164, 873-881. Hurkman, W. J., Vensel, W. H., Tanaka, C. K., Whitehand, L., Altenbach, S. B. (2009): Effect of high temperature on albumin and globulin accumulation in the endosperm proteome of the developing wheat grain. J. Cereal Sci., 49, 12-23. ICC 202. Procedure for near infrared (NIR) reflectance analysis of ground wheat and milled wheat products. International Association for Cereal Science and Technology, 1986., Edition 1995, Vienna. 94

ICC 105/2. Determination of crude protein in cereals and cereal products for food and for feed. International Association for Cereal Science and Technology, 1994. Edition 1995, Vienna. ICC 159. Determination of protein by Near Infrared Reflectance (NIR) Spectroscopy, International Association for Cereal Science and Technology, 1995. Edition 1995, Vienna. IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J. T., Y. Ding, D. J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C. A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 881. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Mannning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 996. Irina, I. P., Roman, A. V., Schoffi, F. (2002): Heat stress and heat shock transcription factor dependent expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis. Plant Physiol., 129, 833-853. Janda, T., Cséplő, M., Németh, C., Vida, G., Pogány, M., Szalai, G. (2008): Combined effect of water stress and infection with the necrotrophic fungal pathogen Drechslera tritici-repentis on growth and antioxidant activity in wheat. Cereal Res. Commun., 36, 53-64. Janda, T., Szalai, G., Leskó, K., Yordanova, R., Apostol, S., Popova, L. P. (2007): Factors contributing to enhanced freezing tolerance in wheat during frost hardening in the light. Phytochemistry, 68, 1674-1682. Janda, T., Szalai, G., Rios-Gonzalez, K., Veisz, O., Páldi, E. (2003): Comparative study of frost tolerance and antioxidant activity in cereals. Plant Sci., 164, 301-306. Jenner, C. F. (1994): Starch synthesis in the kernel of wheat under high temperature conditions. Aust. J. Plant Physiol., 21, 791-806. Jiang, Y., Huang, B. (2000): Effects of drought or heat stress alone and in combination on Kentucky Bluegrass. Crop Sci., 40, 1358-1362. Jiang, Y., Huang, B. (2001): Drought and heat stress injury to two cool-season turfgrasses in relation to antioxidant metabolism and lipid peroxidation. Crop Sci., 41, 436-442. Jiao, J., Grodzinski, B. (1996): The effect of leaf temperature and photorespiratory conditions on export of sugars during steadystate photosynthesis in Salvia splendens. Plant Physiol., 111, 169-178. Kafi, M., Stewart, W. S. (1998): Effects of high temperature on yield and yield components of nine wheat cultivars and a triticale. Iran Agr. Res., 17, 51-66. Karim, M. A., Fracheboud, Y., Stamp, P. (1999): Photosynthetic activity of developing leaves of Zea mays is less affected by heat stress than that of developed leaves. Physiol. Plantarum, 105, 685-693. 95

Karsai, I., Bedő, Z., Hayes, P. M. (1994): Effect of induction medium pH and maltose concentration on in vitro androgenesis of hexaploid winter triticale and wheat. Plant Cell Tiss. Org. Cult., 39, 49-53. Kaur, V., Behl, R. K. (2010): Grain yield in wheat as affected by short periods of high temperature, drought and their interaction during pre- and post-anthesis stages. Cereal Res. Commun., 38, 514-520. Kocsy, G., Szalai, G., Galiba, G. (2002): Effect of heat stress on glutathione biosynthesis in wheat. Acta Biol. Szeged., 46, 71-72. Krause, G. H., Weis, E. (1991): Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: The basics. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 42, 313-349. Kuroyanagi, T. and Paulsen, G. M. (1988): Mediation of high-temperature injury by roots and shoots during reproductive growth of wheat. Plant Cell Envir., 11, 517-523. Labuschagne, M. T., Elago, O., Koen, E. (2009): The influence of temperature extremes on some quality and starch characteristics in bread, biscuit and durum wheat. J. Cereal Sci., 49, 184189. Láng, L., Kuti, C., Bedő, Z. (2001): Computerized data management system for cereal breeding. Euphytica, 119, 235-240. Law, R. D., Crafts-Brandner, S. J. (1999): Inhibition and acclimation of photosynthesis to heat stress is closely correlated with activation of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase. Plant Physiol., 120, 173-181. Lawlor, D. W. (2002): Limitation to photosynthesis in water-stressed leaves: stomata vs. metabolism and the role of ATP. Ann. Bot., 89, 871-885. Li, R., Guo, P., Baum, M., Grando, S., Ceccarelli, S. (2006): Evaluation of chlorophyll content and fluorescence parameters as indicators of drought tolerance in barley. Agr. Sci. China, 5, 751-757. Li, W. Y., Yin, Y. P., Yan, S. H., Dai, Z. M., Li, Y., Liang, T. B., Geng, Q. H., Wang, Z. L. (2008): Effect of shading after anthesis on starch accumulation and activities of the related enzymes in wheat grain. Acta Agron. Sin., 34, 632-640. Li, W., Yan, S., Yin, Y., Wang, Z. (2010): Starch granule size distribution in wheat grain in relation to shading after anthesis. J. Agr. Sci., 148, 183-189. Liu, X., Huang, B. (2000): Heat stress injury in relation to membrane lipid peroxidation in creeping bentgrass. Crop Sci., 40, 503-510. Mannervik, B., Guthenberg, C. (1981): Glutathione transferase (Human placenta). Method Enzymol., 77, 231-235. Marcum, K. B. (1998): Cell membrane thermostability and whole plant heat tolerance of Kentucky bluegrass. Crop Sci., 38, 1214-1218.

96

Martinez, D. E., Luquez, V. M., Bartoli, C. G., Guiamét, J. J. (2003): Persistence of photosynthetic components and photochemical efficiency in ears of water-stressed wheat (Triticum aestivum L.). Physiol. Plantarum, 119, 1-7. Mcdonald, G. K., Paulsen, G. M. (1997): High temperature effects on photosynthesis and water relations of grain legumes. Plant Soil, 196, 47-58. Mohammadi, M, Karimizadeh, R. A., Naghavi, M. R. (2009): Selection of bread wheat genotypes against heat and drought tolerance based on chlorophyll content and stem reserves. J. Agr. Soc. Sci., 5, 119-122. Mohammadi, V., Qannadha, M. R., Zali, A. A., Yazdi-Samadi, B. (2004): Effect of post anthesis heat stress on head traits of wheat. J. Agr. Biol., 6, 42-44. Morales, D., Rodríguez, P., Dell’amico, J., Nicolás, E., Torrecillas, A., Sánchez-Blanco, M. J. (2003): High-temperature preconditioning and thermal shock imposition affects water relations, gas exchange and root hydraulic conductivity in tomato. Biol. Plantarum, 47, 203-208. Mosaad, M. G., Ortiz Ferrarra, G., Mahalakshmi, V. (1995): Tiller development and contribution to yield under different moisture regime in two Triticum species. J Agron. Corp Sci., 174, 173-180. Nakamoto, H., Hiyama, T. (1999): Heat-shock proteins and temperature stress. In: Pessarakli, M. (eds.) Handbook of Plant and Crop Stress. Marcel Dekker, New York, 399-416. Nakano, Y., Asada, Y. (1987): Purification of ascorbate peroxidase from spinach chloroplasts: its activation in ascorbate-depleted medium and reactivation by monodehydroascorbate radical. Plant Cell Physiol., 28, 131-140. Panozzo, J. F., Eagles, H. A. (1998): Cultivar and environmental effects on quality characters in wheat I: starch. Aust. J. Agr. Res., 49, 757-766. Panozzo, J. F., Eagles, H. A., Wootton, M. (2001): Changes in protein composition during grain development in wheat. Aust. J. Agr. Res., 52, 485-493. Peoples, M. B., Beilharz, V. C., Waters, S. P., Simpson, R. J., Dalling, M. J. (1980): Nitrogen redistribution during grain growth in wheat (Triticum aestivum L.). II. Chloroplast senescence and the degradation of ribulose-l,5-bisphosphate carboxytase. Planta, 149, 241251. Pethő, M. (1997): A mezőgazdasági növények élettana. Akadémia Kiadó, Budapest, pp. 374-382. Plaut, Z., Butow, B. J., Blumenthal, C. S., Wrigley, C. W. (2004): Transport of dry matter into developing wheat kernels and its contribution to grain yield under post-anthesis water deficit and elevated temperature. Field Crop Res., 86, 185-198. Porter, J. R. (2005): Rising temperatures are likely to reduce crop yields. Nature, 436, 174. Porter, J. R., Gawith, M. (1999): Temperatures and the growth and development of wheat: a review. Eur. J. Agron., 10, 23-36.

97

Rahman, M. A., Chikushi, J., Yoshida, S., Karim, J. M. S. (2009): Growth and yield components of wheat genotypes exposed to high temperature stress under controll environment. Bangladesh J. Agr. Res., 34, 361-372. Rainwater, D. T., Gossett, D. R., Millhollon, E. P., Hanna, H. Y., Banks, S. W., Lucas, M. C. (1996): The relationship between yield and the antioxidant defense system in tomatoes grown under heat stress. Free Radic. Res., 25, 421-435. Randall, P. J., Moss, H. J. (1990): Some effects of temperature regime during grain filling on wheat quality. Aust. J. Agr. Res., 41, 603-617. Reynolds, M. P., Delgado B., M. I., Gutiérrez-Rodríguez, M., Larqué-Saavedra, A. (2000): Photosynthesis of wheat in a warm, irrigated environment I: Genetic diversity and crop productivity Field Crop Res., 66, 37-50. Reynolds, M. P., Pellegrineschi, A., Skovmand, B. (2005): Sink-limitation to yield and biomass: a summary of some investigations in spring wheat. Ann. Appl. Biol., 146, 39-49. Sabeva, S., Nedeva, D. (2008): Antioxidant enzymes in germinating wheat seeds as affected by dehydration stress, ABA and hydrogen peroxide. Acta Agron. Hung., 56, 113-127. Sairam, R. K., Rao, K. V., Srivastava, G. C. (2002): Differential response of wheat genotypes to long term salinity stress in relation to oxidative stress, antioxidant activity and osmolyte concentration. Plant Sci., 163, 1037-1046. Sairam, R. K., Shukla, D. S., Saxena, D. C. (1997/1998): Stress induced injury and antioxidant enzymes in relation to drought tolerance in wheat genotypes. Biol. Plantarum, 40, 357-364. Sairam, R. K., Srivastava, G. C., Saxena, D. C. (2000): Increased antioxidant activity under elevated temperatures: a mechanism of heat stress tolerance in wheat genotypes. Biol. Plantarum, 43, 245-251. Salvucci, M. E., Crafts-Brandner S. J. (2004): Inhibition of phothosynthesis by heat stress: the activation state of rubisco as a limiting factor in photosynthesis. Physiol. Plantarum, 120, 179-186. Schapendonk, A. H. C. M., Xu, H. Y., Van Der Putten, P. E. L., Spiertz, J. H. J. (2007): Heatshock effects on photosynthesis and sink-source dynamics in wheat (Triticum aestivum L.). NJAS Wageningen J. Life Sci., 55, 37-54. Singh, S., Singh, G., Singh, P., Singh, N. (2008): Effect of water stress at different stages of grain development on the characteristics of starch and protein of different wheat cultivars. Food Chem., 108, 130-139. Smith, I. K., Vierheller, T. L., Thorne, C. A. (1988): Assay of glutathione reductase in crude tissue homogenates using 5,5’dithiobis (2- nitrobenzoic acid). Anal. Biochem., 175, 408-413. Snape, J. W., Wright A. J., Simpson, E. (1984): Methods for estimating gene numbers for quantitative characters using doubled haploid lines. Theor. Appl. Genet., 67, 143-148. Soh, H. N., Sissons, M. J., Turner, M. A. (2006): Effect of starch granule size distribution and elevated amylose content on durum dough rheology and spaghetti cooking quality. Cereal Chem., 83, 513-519. 98

Stoddard, F. L. (1999): Survey of starch particle-size distribution in wheat and related species. Cereal Chem., 76, 145-149. Stone, P. J., Gras, P. W., Nicolas, M. E. (1997): The influence of recovery temperature on the effects of a brief heat shock on wheat. III. Grain protein composition and dough properties. J. Cereal Sci., 25, 129-141. Stone, P. J., Nicolas, M. E. (1995a): Effect of timing of heat stress during grain filling on two wheat varieties differing in heat tolerance. I. Grain growth. Aust. J. Plant Physiol., 22, 927934. Stone, P. J., Nicolas, M. E. (1995b): Comparison of sudden heat stress with gradual exposure to high temperature during grain filling in two wheat varieties differing in heat tolerance. I. Grain growth. Aust. J. Plant Physiol., 22, 935-944. Stone, P. J., Nicolas, M. E. (1996): Varietal differences in mature protein composition of wheat resulted from different rates of polymer accumulation during grain-filling. Aust. J. Plant Physiol., 23, 727-737. Stone, P. J., Nicolas, M. E. (1998): The effect of duration of heat stress during grain filling on two wheat varieties differing in heat tolerance: grain growth and fractional protein accumulation. Aust. J. Plant. Physiol., 25, 13-20. Suzuki, N., Mittler, R. (2006): Reative oxygen species and temperature stresses: A delicate balance between signaling and destruction. Physiol. Plantarum, 126, 45-51. Szigeti, Z. (1998): A növények és a stressz. Láng, F. (szerk.) Növényélettan. A növényi anyagcsere. ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 929-942. Tahir, I. S. A., Nakata, N. (2005): Remobilization of nitrogen and carbohydrate from stems of bread wheat in response to heat stress during grain filling. J. Agron. Crop Sci., 191, 106115. Tewolde, H., Fernandez, C. J., Erickson, C. A. (2006): Wheat cultivars adapted to post-heading high temperature stress. J. Agron. Crop Sci., 192, 111-120. Tischner, T., Rajkainé Végh, K., Kőszegi, B. (1997): Effect of growth medium on the growth of cereals in the phytotron. Acta Agron. Hung., 45, 187-193. Tottman, D. R., Makepeace, R. J. (1979): An explanation of the decimal code for the growth stages of cereals, with illustrations. Ann. Appl. Biol., 93, 221-234. Triboï, E., Martre, P., Triboï-Blondel, A. M. (2003): Environmentally-induced changes in protein composition in developing grains of wheat are related to changes in total protein content. J. Exp. Bot., 54, 1731-1742. Vacca, R. A., de Pinto, M. C., Valenti, D., Passarella, S., Marra, E., De Gara, L. (2004): Production of reactive oxygen species, alteration of cytosolic ascorbate peroxidase, and impairment of mitochondrial metabolism are early events in heat shock-induced programmed cell death in tobacco Bright-Yellow 2 cells. Plant Physiol., 134, 1100-1112. (Vahava összefoglalás: http://klima.kvvm.hu/documents/14/VAHAVAosszefoglalas.pdf) 99

Veisz, O., Bencze, S., Janda, T., Páldi, E., Bedő, Z. (2004): Changes in the activity of antioxidant enzymes in cereal species during the winter. Cereal Res. Commun., 32, 493-500. Viswanathan, C., Khanna-Chopra, R. (2001): Effect of heat stress on grain growth, starch synthesis and protein synthesis in grains of wheat (Triticum aestivum L.) varieties differing in grain weight stability. J. Agron. Crop Sci., 186, 1-7. Wahid, A., Gelani, S., Ashraf, M., Foolad, M. R. (2007): Heat tolerance in plants: An overview. Environ. Exp. Bot., 61, 199-223. Wahid, A., Ghazanfar, A. (2006): Possible involvement of some secondary metabolites in salt tolerance of sugarcane. J. Plant Physiol, 163, 723-730. Wardlaw I. F., Moncur L. (1995): The response of wheat to high temperature following anthesis. I. The rate and duration of kernel filling. Aust. J. Plant Physiol., 22, 391-397. Wardlaw, I. F. (1994): The effect of high temperature on kernel development in wheat: variability related to pre-heading and post-anthesis conditions. Aust. J. Plant Physiol., 21, 731-739. Wardlaw, I. F., Blumenthal, C., Larroque, O., Wrigley, C. W. (2002): Contrasting effects of chronic heat stress and heat shock on kernel weight and flour quality in wheat. Funct. Plant Biol., 29, 25-34. Wardlaw, I. F., Wrigley, C. W. (1994): Heat tolerance in temperate cereals: an overview. Aust. J. Plant Physiol., 21, 695-703. Wardley, T. M., Bhalla, P. L., Dallin, M. J. (1984): Changes in the number and composition of chloroplasts during senescence of mesophyll cells of attached and detached primary leaves of wheat (Triticum aestivum L.). Plant Physiol., 75, 421-424. Wheeler, T. R., Batts, G. R., Ellis, R. H., Hadley, P., Morrison, J. I. L. (1996): Growth and yield of winter wheat (Triticum aestivum L.) crops in response to CO2 and temperature. J. Agr. Sci., 127, 37-48. Wieser, H., Seilmeier, W. (1998): The influence of nitrogen fertilization on quantities and proportions of different protein types in wheat flour. J. Sci. Food Agric., 76, 49-55. Wrigley, C. W., Blumenthal, C., Gras, P. W., Barlow, E. W. R. (1994): Temperature variation during grain-filling and changes in wheat grain quality. Aust. J. Plant Physiol., 21, 875885. Xu, Q., Paulsen, A. Q., Guikema, J. A., Paulsen, G. M. (1995): Functional and ultrastructural injury to photosynthesis in wheat by high temperature during maturation. Environ. Exp. Bot., 35, 43-54. Yamada, M., Hidaka, T., Fukamachi, H. (1996): Heat tolerance in leaves of tropical fruit crops as measured by chlorophyll fluorescence. Sci. Hortic., 67, 39-48. Yamazaki, J., Ohashi, A., Hashimoto, Y., Negishi, E., Kumagai, S. (2003): Effects of high light and low temperature during harsh winter on needle photodamage of Abies mariesii growing at the forest limit on Mt. Norikura in Central Japan. Plant Sci., 165, 257-264.

100

Yan, S. H., Yin, Y. P., Li, W. Y., Li, Y., Liang, T. B., Wu, Y. H., Geng, Q. H., Wang, Z. L. (2008): Effect of high temperature after anthesis on starch formation of two wheat cultivars differing in heat tolerance. Acta Ecol. Sin., 28, 6138-6147. Yang, J. C. and Zhang, J. H. (2006): Grain filling of cereals under soildrying. New Phytol., 169, 223-236. Young, L. W., Wilen, R. W., Bonham-Smith, P. C. (2004): High temperature stress of Brassica napus during flowering reduces micro- and megagametophyte fertility, induces fruit abortion, and disrupts seed production. J. Exp. Bot., 55, 485-495. Zhang, T., Wang, Z., Yin, Y., Cai, R., Yan, S., Li, W. (2010): Starch content and granule size distribution in grains of wheat in relation to post-anthesis water deficits. J. Agron. Crop Sci., 196, 1-8. Zhao, C. X., He, M. R., Wang, Z. L., Wang, Y. F., Lin, Q. (2009): Effects of different water availability at post-anthesis stage on grain nutrition and quality in strong-gluten winter wheat. C. R. Biol., 332, 759-764. Zhao, H., Dai, T., Jiang, D., Cao, W. (2008): Effects of high temperature on key enzymes involved in starch and protein formation in grains of two wheat cultivars. J. Agron. Crop Sci., 194, 47-54. Zhau, R. G., Fan, H. Z., Li, X. Z., Wang, Z. W., Han, W. (1995): The effect of heat acclimation on membrane thermo-stability and reactive enzyme activity. Acta Agron. Sin., 21, 568-572.

101

11. FÜGGELÉK

1. táblázat A produkcióbiológiai tulajdonságok kéttényezős varianciaanalízisének összefoglaló táblázata fiatalkori és felnőttkori hőstressznél Biomassza HI Szemszám ET Szemtermés df MSQ MSQ MSQ MSQ MSQ Genotípus (G) 5 152,4*** 161,1*** 4681,8*** 2035,3*** 19,2*** Kezelés (K) 4 99,7*** 2964,5*** 62075,4*** 4621,0*** 47,0*** GxK 20 7,2*** 310,5*** 3627,9*** 322,2*** 2,8*** Hiba 667 3,2 43,5 850,2 27,3 0,6 Tényezők

Harvest index (HI), Ezerszemtömeg (ET); *** szignifikáns p=0,1 %-os valószínűségi szinten

2. táblázat A kezelés variancia komponens aránya stressz- és fajtatényező között a vizsgált produkcióbiológiai tulajdonságoknál (fiatalkori és felnőttkori hőstressznél) Biomassza HI Szemszám ET Szemtermés Tényezők SSQ SSQ SSQ SSQ SSQ Genotípus (G) 58,3 % 4,3 % 6,8 % 29,0 % 28,1 % Stressz (S) 30,5 % 62,8 % 72,1 % 52,7 % 55,2 % GxS 11,1 % 32,9 % 21,1 % 18,4 % 16,7 % Harvest index (HI), Ezerszemtömeg (ET)

3. táblázat A termésminőségi tulajdonságok kéttényezős varianciaanalízisének összefoglaló táblázata fiatalkori és felnőttkori hőstressznél Tényezők df Genotípus (G) Kezelés (K) GxK Hiba

5 4 – 20

Ezerszem- SzemFehérje- Zelenytömeg átmérő Tényezők tartalom szám MSQ MSQ df MSQ MSQ Genotípus 597,1** 47*** 0,15*** (G) 5 6,2*** * Kezelés 327,9** 107*** 0,28*** (K) 4 27,5*** * – – GxK 20 1,9*** 28,8*** 9,17 0,022 Hiba 29 0,008 0,8

Ezerszemtömeg és szemátmérő vizsgálata ismétlések nélküli kéttényezős variancia-analízissel

102

4. táblázat Az oldhatatlan polimer proteinek (UPP %), a glutenin-gliadin arány (Glu/Gli) és az albumin-globulin % (AG %) kéttényezős varianciaanalízisének összefoglaló táblázata fiatalkori és felnőttkori hőstressznél Tényezők

UPP % Glu/Gli df MSQ MSQ 5 325,2*** 0,207*** 4 137,3*** 0,046*** 20 46,8*** 0,0068*** 58 2,5 0,001

Genotípus (G) Kezelés (K) GxK Hiba

AG % MSQ 20,0*** 17,4*** 5,2*** 0,3

*** szignifikáns p=0,1 %-os valószínűségi szinten

5. táblázat A kezelés variancia komponens aránya stressz- és fajtatényező között a vizsgált termésminőségi tulajdonságoknál (fiatalkori és felnőttkori hőstressznél) Ezerszemtömeg Tényezők SSQ Genotípus (G) 27,8 % Stressz (S) 50,6 % GxS Hiba 21,7 %

Szem- Zeleny- Fehérjeátmérő szám tartalom UPP % SSQ SSQ SSQ SSQ 33,2 % 61,3 % 17,3 % 52,3 % 48,0 % 26,9 % 61,8 % 17,7 % 11,8 % 20,9 % 30,1 % 18,8 %

Glu/Gli SSQ 76,3 % 13,6 % 10,1 %

AG % SSQ 36,6 % 25,5 % 37,9 %

Oldhatatlan polimer proteinek (UPP %), glutenin-gliadin arány (Glu/Gli), albumin-globulin % (AG %)

6. táblázat A produkcióbiológiai tulajdonságok kéttényezős szemtelítődéskori hő, szárazság és Sz+H stressznél Tényezők Genotípus (G) Kezelés (K) GxK Hiba

varianciaanalízisének

összefoglaló

táblázata

Biomassza HI Szemszám ET Szemtermés df MSQ MSQ MSQ MSQ MSQ 11 43,0*** 711,1*** 10163,0*** 826,2*** 3,9*** 3 242,2*** 14105,2*** 7048,3*** 17977,5*** 127,6*** 33 9,0*** 158,6*** 1559,3*** 134,2*** 1,4*** 705 3,4 28,2 638,1 22,0 0,4

Harvest index (HI), Ezerszemtömeg (ET); *** szignifikáns p=0,1 %-os valószínűségi szinten

103

7. táblázat A kezelés variancia komponens aránya stressz- és fajtatényező között a vizsgált produkcióbiológiai tulajdonságoknál (szemtelítődéskori hő, szárazság és Sz+H stressznél) Biomassza HI Szemszám ET Szemtermés Tényezők SSQ SSQ SSQ SSQ SSQ Genotípus (G) 31,6 % 14,1 % 60,6 % 13,5 % 9,2 % Stressz (S) 48,6 % 76,4 % 11,5 % 80,0 % 81,4 % GxS 19,8 % 9,5 % 27,9 % 6,6 % 9,5 % Harvest index (HI), Ezerszemtömeg (ET)

8. táblázat A termésminőségi tulajdonságok kéttényezős varianciaanalízisének összefoglaló táblázata szemtelítődés idején alkalmazott hő, szárazság és Sz+H stressz hatására

Tényezők df Genotípus (G) Kezelés (K) GxK Hiba

Fehérje- Zelenytartalom szám MSQ MSQ

UPP % MSQ

Glu/Gli MSQ

AG % MSQ

df

11 13,9*** 871,5*** 570,8*** 0,067*** 33,10*** 9 3 121,0*** 850,6*** 195,1*** 0,025*** 26,42*** 3 33 2,7*** 57,5*** 18,7*** 0,006*** 6,72*** – 94, (♦47) 0,3 3,6 0,85 0,000 0,41 27

Keményítőszemcseméret MSQ 3,4 ns 121,0*** – 7,0

♦ A fehérjetartalomnál a hiba df értéke 47; *** szignifikáns p=0,1 %-os valószínűségi szinten, ns- nem szignifikáns Oldhatatlan polimer proteinek (UPP %), glutenin-gliadin arány (Glu/Gli), albumin-globulin % (AG %) Keményítő szemcseméret vizsgálata ismétlések nélküli kéttényezős variancia-analízissel

9. táblázat A kezelés variancia komponens aránya stressz- és fajtatényező között a vizsgált termésminőségi tulajdonságoknál (szemtelítődéskori hő, szárazság és Sz+H stressznél) Fehérje- Zeleny- UPP AG Keményítőtartalom szám % Glu/Gli % szemcseméret Tényezők SSQ SSQ SSQ SSQ SSQ SSQ Genotípus (G) 25,2 68,3 83,9 73,9 54,7 5,2 Stressz (S) 60,0 18,2 7,8 7,4 11,9 62,3 GxS 14,7 13,5 8,3 18,6 33,3 – Hiba 32,5 Oldhatatlan polimer proteinek (UPP %), glutenin-gliadin arány (Glu/Gli), albumin-globulin % (AG %)

104