Carbon and nitrogen assimilation in relation to yield: mechanisms are the key to understanding production systems

Abstract

A növényi termelési rendszerek jobb megértése a N-ellátással kapcsolatban a növényi biokémiai és élettani alapismereteken alapul. A génexpresszió fehérjeszintézishez és anyagcsere-rendszerek kialakulásához vezet; az ebből következő anyagcsere határozza meg a növekedési, fejlődési és terméshozam-képességet. Ez alkotja a genetikai potenciált. Ezek a folyamatok határozzák meg az erőforrás-ellátás követelményeit. A szén-dioxid (CO2) és a nitrát (

) asszimiláció közötti kölcsönhatások és azok dinamikája kulcsfontosságú a növénytermesztés szempontjából. Különösen a

megfelelő ellátottsága, annak aminosavakká történő asszimilációja (amelyhez fotoszintetizált szénvegyületek szükségesek) és a fehérjeszintézishez való rendelkezésre állása elengedhetetlen az anyagcseréhez. A

megfelelő ellátottsága serkenti a levél növekedését és a fotoszintézist, előbbit a sejtnövekedés és -osztódás, utóbbit a fényreakciók, valamint a CO2-asszimiláció és a kapcsolódó folyamatok összetevőinek nagyobb tartalma révén. Ha az erőforrások kínálata meghaladja a genetikai potenciál által meghatározott igényt, akkor a termelés maximális, ha viszont kevesebb, akkor a potenciál nem érhető el; az erőforrások és a potenciál összehangolása a mezőgazdaság célja. Az anyagcsere és a terméshozam közötti kapcsolat azonban kevéssé számszerűsített. A biokémiai jellemzőket és a szimulációs modelleket jobban ki kell használni és kombinálni kell a műtrágya-N alkalmazásának, a N-felhasználás hatékonyságának és a terméshozamoknak a javítása érdekében. A N-felvétel növelése nem megfelelő N-ellátás mellett a gyökérzet térfogatának és sűrűségének növelésével megvalósítható, az affinitás növelése kevésbé. Ez növelné a biomasszát és a N/C arányt. Megfelelő N mellett, teljes genetikai potenciál mellett az egységnyi N-re jutó több C-asszimiláció növelné a biomasszát, de az energia korlátozó tényező lenne a teljes lombkorona mellett. Az egységnyi N-re jutó C-asszimiláció növelése növelné a biomasszát, de csökkentené az N/C arányt mind nagy, mind kis N-ellátottság esetén. Az összes biokémiai komponens termelésének növelése növelné a biomasszát és a N-szükségletet, és fenntartaná az N/C arányt. A C- vagy N-asszimiláció megváltoztatásához számos folyamat módosítására van szükség ahhoz, hogy az egész rendszerben javulást érjünk el; a központi anyagcsere egyes lépéseinek géntechnológiai/molekuláris biológiai módosítása nem valószínű, hogy ezt elérhetjük, mivel a célok nem egyértelműek, valamint a folyamatok és a környezet közötti összetett kölcsönhatások miatt. Az agronómia, a nemesítés vagy a géntechnológia segítségével a növények N-felhasználásának és terméshozamának kevesebb ráfordítással és kevesebb szennyezéssel történő javítására irányuló hosszú távú célok eléréséhez az egész rendszer jobb megértése szükséges, a génektől az anyagcserén át a terméshozamig.

Bevezetés: a fogalmi keret

A magasabb rendű növények növekedésének és szaporodásának autokatalitikus ciklusa során a magban lévő embrió megfelelő körülmények között levelekkel és gyökerekkel rendelkező növénnyé fejlődik. A levelek tartalmazzák azt a komplex biokémiai fotoszintetikus gépezetet, amely képes a fény befogására és az energia felhasználására a szén-dioxid (CO2) és a nitrátionok (

) reduktív asszimilációjára szénhidrátok, illetve aminosavak képződésével (Foyer et al., 2001; Lawlor, 1994). A gyökerek megkötik az anyagcseréhez szükséges vizet és ásványi tápanyagokat; itt a hangsúly a nitrogénellátáson van. Az egyszerűség kedvéért csak a nitrátellátást és -anyagcserét tárgyaljuk: az ammónia NH3 vagy

(Macduff et al., 1987; Ter Steege et al., 2001) szerepét, a növény-rhizobium társulásokból származó N2-fixálást és a szerves-N felvételét nem vesszük figyelembe. A keletkező C- és N-asszimilátumok a növény növekedési régióiba kerülnek, ahol beépülnek az új vegetatív sejtekbe és szövetekbe, amelyekből szaporítószervek és magok keletkeznek, így a növekedési ciklus befejeződik (Ourry et al., 2001).

A növény teljes rendszerként működik, amelyben a hajtás és a gyökér között egyensúly van az erőforrások felvételében és az asszimilátumok cseréjében hosszú távon, de ezeknek a folyamatoknak és szabályozásuknak a mennyiségi megértése korlátozott. Az 1. ábra összefoglalja a kölcsönhatásokat. A N- és C-asszimilátumok folyamatai és áramlásai a környezetből származó erőforrás-ellátástól és a környezeti feltételektől függenek. Az alapanyagcsere szerepének tárgyalása gyakran elválik a terméshozam meghatározásának tárgyalásától, mivel a szakemberek a gyakorlatban dolgozókra összpontosítanak, és kutatási célokból a rendszer konkrét pontjait kell kezelni. Mivel azonban a terméshozam a biokémia következménye, a kettő szorosan összefügg (Lawlor et al., 2001). A mezőgazdasági termelés szempontjából a terméshozam a legfontosabb szempont, mivel a világon évente kb. 1,6 milliárd tonna búza-, kukorica- és rizsszem termelése biztosítja az emberi fogyasztásra szánt energia és tápanyagok nagy részét. A magas minőségű termékek nagy terméshozamának előállítása minimális erőforrás-ráfordítással, különösen N-trágyával, a fő cél.

Ez az áttekintés a növényi anyagcsere és fiziológia különböző aspektusait és a N szerepét próbálja összefogni a terméshozamhoz vezető folyamatokban. Hangsúlyozza a rendszer minden részének mechanisztikus megértésének és különösen az ismeretek integrálásának fontosságát, ha el akarjuk érni az általános célokat, azaz a nagyobb növénytermesztést minimális N-felhasználás mellett, környezetszennyezés nélkül. Azzal érvel, hogy a rendszer egyes részeire való túlzott összpontosítás a potenciálisan korlátozó folyamatok rossz értékeléséhez és a fontos folyamatok elhanyagolásához vezet.

N-műtrágyák és a mezőgazdaság fejlesztése

A N-nek a növénytermesztéssel kapcsolatos alapvető mechanizmusok jobb megértésének és a N-felhasználás javításának szükségességét mutatja a világ mezőgazdaságának jelenlegi helyzete és az iparilag előállított N-műtrágyáktól való függése (Bacon, 1995). A mezőgazdaság jelenleg a Föld legtermékenyebb földjeinek nagy részét hasznosítja, a rendelkezésre álló víz nagy részét használja fel, és jelentős mennyiségű műtrágyát igényel. Ezek egy részét (pl. a foszfátokat) bányából nyerik, de a szervetlen N-t a N2-nek NH3-á történő ipari átalakításából nyerik karbamid, nitrátok stb. előállítására. Az ipari N-fixálás közel áll a bioszférában történő természetes N2-fixáláshoz. Nagyobb élelmiszertermelésre van szükség a mezőgazdasági területek bővítése nélkül (amelyet más tényezők, például a vízellátás korlátoznak) és kevesebb műtrágyával, amelynek szintéziséhez nagy mennyiségű fosszilis tüzelőanyagokból származó energiát használnak fel. A kevesebb N-trágya használatának csökkentése csökkenteni fogja a költségeket és a szennyezést, ami a szintézis módszereinek és a növények nem hatékony kijuttatásának és felvételének következménye; e célok elérése sürgősen szükséges (Ter Steege et al., 2001). A műtrágyák használatának csökkentése azonban ütközik a nagyobb terméshozam iránti igénnyel. A legfontosabb alapélelmiszerek, például a búza terméshozama az elmúlt évtizedben nem nőtt (Evans, 1998). Így a gyorsan növekvő emberi népesség növekvő élelmiszerigénye miatt világszerte növekednie kell az élelmiszerhiány lehetőségének. Az élelmiszerhiány és a környezetromlás és -szennyezés potenciálisan veszélyes társadalmi problémáinak leküzdése érdekében növelni kell az egységnyi földterületre jutó mezőgazdasági hozamokat, ugyanakkor csökkenteni kell a kijuttatott műtrágyáktól való függőséget (Evans, 1998). A világ mezőgazdaságának nagy része (még a fejlett gazdaságokban is) a N-trágyát nagyon alacsony hatékonysággal használja fel, gyakran azért, mert más környezeti feltételek korlátozzák, így a termesztési környezet és a N-kijuttatás technológiájának javítása, valamint a jelenlegi legjobb gyakorlat alkalmazása csökkentheti a veszteségeket és növelheti a termelést (Bacon, 1995). A növények N-anyagcseréjének és a N környezetben való viselkedésének jelenlegi ismeretei valószínűleg elegendőek ehhez, bár a rendszer egészének megértéséhez (lásd a modellezés későbbi tárgyalását) javulásra van szükség. Kívánatos lenne a terméshozam genetikai potenciáljának javítása, amelyet a szelekciós nemesítés évtizedei nem javítottak, annak érdekében, hogy kevesebb N és egyéb erőforrás felhasználásával jobb össztermést lehessen elérni (lásd a rizstermelés növelésével kapcsolatos vitákat Sheehy et al., 2000). Azonban még ha ez lehetséges is lenne, akkor is intenzívebb szelekciós nemesítésre lenne szükség. A genetikai módosítás esetében valószínűleg sokkal nagyobb szakértelemre és pénzügyi támogatásra, valamint további technológiai fejlesztésekre van szükség, annak ellenére, hogy a sikerre utaló bizonyítékok vannak (Ku et al., 2000), mivel a jelenlegi technológia viszonylag kevéssé kipróbált (Matsuoka et al., 2000), és a hatékony alkalmazáshoz valószínűleg hosszú időre van szükség. A siker valószínűségét nehéz megítélni; ez a szelekciós nemesítésre is vonatkozik, tekintettel a terméshozam és a terméspotenciál növekedésének sokkal lassabb vagy nem létező ütemére. A genetikai jellemzők kifejezetten módosíthatók a termelés és annak hatékonyságának növelése érdekében, de a módosítás célpontjait egyértelműen meg kell határozni. A molekuláris technikák alkalmazása segít ebben és a nemesítési programokban, az agronómiai tulajdonságokat irányító fő gének és mennyiségi tulajdonsági lókuszok azonosításával és átfogó genetikai térképeken való elhelyezésével (Snape, 1996). A N szerepe a növényekben azonban olyan alapvető, hogy ezeket a megközelítéseket a növényi biokémia és fiziológia részletes megértésével kell kombinálni.

Fotoszintetikus szén- és nitrogénasszimiláció és N-ellátás

A N szerepe a mezőgazdasági termelésben szorosan összefügg a fotoszintézissel. A fotoszintézis során a fotonok “fizikai energiája” ATP és redukált metabolikus köztitermékek, elsősorban NADPH “kémiai energiájává” alakul át, amelyeket számos különböző típusú szén- és nitrogénasszimilátum, különösen szénhidrátok és aminosavak szintézisében használnak fel (Foyer et al., 2001). Ezek “üzemanyagként” szolgálnak a szervek biokémiai összetevőinek szintéziséhez, és végső soron az egész növény szerkezetét biztosítják (Lawlor et al. 2001). Az asszimiláttermelés alapvető mechanizmusait vizsgáljuk, mivel ezek központi szerepet játszanak a növénytermesztés megértésében.

CO2-asszimiláció

A levél összetételével és a N-ellátottsággal kapcsolatos CO2-asszimilációt már részletesen áttekintették (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001), és a következőképpen foglalható össze: A N határozza meg az aminosavak és így a fehérjék (lásd később), és végső soron az összes sejtalkotó szintézisét. A CO2-asszimiláció gyors üteme ennek megfelelően nagy mennyiséget igényel a kloroplasztiszok számos komponenséből, különösen a fénygyűjtő klorofill-fehérje komplexekből (LHCP), a tilakoidok elektrontranszport és NADP+-redukáló komponenseiből, valamint a ribulóz-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz (Rubisco) CO2-asszimiláló enzimből, továbbá más, a CO2-asszimilációhoz szükséges enzimekből a strómában. A fehérjék alapvető tulajdonságai (molekulatömeg, szerkezet) genetikailag meghatározottak. Számos enzimet azonban nagyon összetett módon szabályoznak környezeti és növényi tényezők (pl. fény, illetve fehérjefoszforiláció). Mind a fehérjék és más komponensek mennyisége és aktivitása a szervekben, mind a szervek mérete meghatározza az anyagcsere teljes kapacitását. Az egységnyi levélfelületre jutó nagy CO2-asszimilációs sebesség eléréséhez a komponensek nagyszámú molekulája szükséges. Egyes fehérjék molekulatömege az aktivitásukhoz képest nagy, így a levelekben jelentős mennyiségű fehérje van jelen (nagy tömeg egységnyi levélfelületre vetítve). A fotoszintézis során felhasznált energia hatékony megkötéséhez például területegységenként nagy mennyiségű klorofillra van szükség, amelyet fehérjék “támogatnak” (a tilakoidokban lévő fénygyűjtő klorofill-fehérje komplexek, LHCP), ezért a tilakoidok sok N-t tartalmaznak. A kloroplasztisz és a levél legfontosabb fehérjéje (különösen a C3 növényekben; Evans, 1983; Sage et al, 1987) a Rubisco, amely katalizálja a CO2 és a RuBP közötti reakciót, melynek során trióz-foszfát keletkezik; ez a kloroplasztisz strómából a citoszolba kerül, majd szacharózzá alakul. A Rubisco katalitikus sebessége a fehérje tömegére vetítve alacsony, ezért a C3 levelekben általánosan meghatározott CO2-asszimilációs sebességhez nagy mennyiségű Rubisco szükséges. A Rubisco mennyisége elérheti a 8 g m-2 -t, és a búza leveleiben a N 30%-át, valamint az oldható fehérje akár 50%-át is kiteheti (Lawlor et al., 1989). Az aktívan metabolizáló levelek ennek megfelelően nagy N-tartalmat tartalmaznak. Ha a levélnövekedés során a N-ellátottság nem éri el a fehérjeszintézis stb. potenciális sebességének fenntartásához szükséges mennyiséget, akkor a képződő komponensek mennyisége nem elegendő a maximális CO2-asszimilációhoz (Lawlor et al., 1988, 1989). Természetesen a helyzet a vázoltnál összetettebb, mivel a CO2-asszimiláció nem a komponensek mennyiségétől, hanem aktivitásuktól függ, amely más tényezőktől függ. Ha például a Rubisco-tartalom csökken, akkor az aktivitás nő, így a változást tendenciózusan kompenzálja. Alacsony hőmérsékleten több Rubisco (és más fehérjék és komponensek) szükséges egy adott CO2-asszimilációs sebesség fenntartásához, mivel az enzimreakciók lassabb sebessége miatt csökken a metabolikus aktivitás (Lawlor et al., 1987b). Így a fotoszintetikus rendszer és az anyagcsere fejlődése, valamint a környezettel való összetett kölcsönhatás jelentős rugalmasságot mutat.

A nitrogénhiány nagy hatással van a kloroplasztiszokra, méretben, összetételben és működésben. A bőséges N-tartalommal termesztett növényekhez képest kisebbek és laposabbak, kevesebb tilakoidmembránnal, amelyek rosszul rakódnak egymásra, és kisebb a granális és az intergránális tilakoidok aránya, és nő a stróma aránya, például rizsben (Laza et al., 1993) és cukorrépában (Kutik et al., 1995). Kevesebb az LHCP, a Rubisco és az ATP-szintáz (Theobald et al., 1998). Evans és Terashima azonban kimutatta, hogy a tilakoidok összetételét viszonylag kevéssé befolyásolja az N-ellátás, a tilakoid komponensek, az elektrontranszport aktivitás és az O2-fejlődés sebessége CO2 telítettség mellett klorofill alapon kifejezve nagyon hasonló a nagyon különböző N-ellátással termesztett spenótban (Evans és Terashima, 1987). Ezzel szemben a Rubisco- és az oldható fehérjetartalom egységnyi klorofillra vetítve nagyobb volt nagy N-tartalom mellett, ami azt mutatja, hogy alacsony N-tartalom mellett a CO2-asszimilációs kapacitás kisebb volt, mint az elektrontranszporté. Búzában a Rubisco és a klorofill aránya viszonylag állandó a különböző N-kezelések során, bár nagy N-tartalomnál nő (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Más szerzők kimutatták, hogy a Rubisco és a teljes klorofill tömegaránya a N-ellátás növekedésével jobban nőtt, mint az ATP-szintáz és a klorofill aránya (Nakano et al., 1997; Theobald et al., 1998). A klorofill a/b arányt a klorofill nagymértékű csökkenése ellenére az N-ellátás nagymértékben nem befolyásolja, ami arra utal, hogy az N-ellátás nem szabályozza differenciáltan az LHCP (amely klorofill b-t tartalmaz) kifejeződését a fénygyűjtő és reakcióközpont komplexek többi komponenséhez képest. Általánosítható, hogy az N-ellátás differenciáltan változtatja meg a kloroplasztisz összetételét szabályozó genetikai információ kifejeződését, különösen a Rubisco és az ATP-szintáz kifejeződését, de a tikakoidmembrán komponenseinek kifejeződését nem (2. ábra). A fotoszintetikus mechanizmusok módosításának lehetőségeit a CO2-asszimiláció növelése érdekében aktívan vizsgálják (Paul és Lawlor, 2000). Néhány növekedést a levelek összetételének megváltoztatásával értek el, váratlanul a trehalóz-anyagcsere megváltoztatásával, valószínűleg a fejlődés szabályozásán keresztül (Paul és mtsai., 2001). Tekintettel a levelek összetételének és működésének rugalmasságára a környezeti feltételek, például a fény hatására, lehetségesek lehetnek a N-felhasználás javítását célzó változtatások. Ha azonban ezek az enzimek stb. számának, de nem jellemzőinek növelésével járnak, akkor a fehérje tömege nő, és így a N-tartalom és a N iránti igény is. A Rubisco-tartalom növelése nem feltétlenül növeli a C3 levelek területegységenkénti CO2-asszimilációját, még világos fényben sem, más korlátok (pl. CO2-ellátás) miatt (Lawlor et al., 1987,a, b; Millard, 1988; Millard és Catt, 1988), így a komponensek mennyiségének növelése nem mindig hatékony.

A C3 fotoszintézis CO2-ellátottsága a jelenlegi légkörben nem megfelelő (360 μmol mol-1), és a fotoszintetikus sebesség, a növények növekedése és a terméshozam kb. 30%-kal nő brit körülmények között, ha ezt megduplázzuk. Így ezzel az egyszerű környezeti változással megvalósul a genetikai potenciál (lásd később). Ha a fotorespiráció kiküszöbölésével növelni lehetne a CO2-asszimiláció hatékonyságát a C3 növényekben, akkor az egységnyi N-felhalmozásra jutó termelékenység növekedne. A jelenlegi CO2 légkörben a bőséges N mellett termesztett levelek nagy mennyiségű, alacsony katalitikus aktivitású Rubisco-tartalmát gyakran megjegyezték, és ez vezetett a Rubisco mennyiségének csökkentéséhez vagy jellemzőinek megváltoztatásához (az aktív helyenkénti fehérje mennyiségének csökkentése, az aktiváltsági állapot növelése stb. Nincs azonban bizonyíték arra, hogy ez megvalósítható lenne (és bizonyíték van arra, hogy az ilyen változtatások mélyen gátolják a fotoszintézist). A Rubisco nagy mennyisége és alacsony aktivitása miatt a levelekben, különösen bőséges N-ellátás esetén, raktározási fehérjének tekintették: az idősebb levelekből remobilizálódik, és a növekvő levelekben a fehérje nagy részét adja, amikor a N limitáló, valamint a tárolási fehérjeszintézishez, például a gabonaszemekben és a burgonyagumókban (Lawlor et al., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard és Catt, 1988), ami alátámasztja a tárolási funkciót. Azzal érveltek, hogy a fehérjeszintézis nem hatékony energiafelhasználás, de tekintettel arra, hogy a C3 növényekben nagy Rubisco-tartalomra van szükség a CO2-asszimilációhoz, különösen nagy fénynél, valamint a

és az aminosavak tárolásának ionos és ozmotikus hatásaira, a Rubisco szintézisének mint a bőséges N átmeneti tárolásának előnyei lehetnek (Heilmeier és Monson, 1994). Az ilyen megfontolásokat nem szabad figyelmen kívül hagyni, amikor azt javasolják, hogy a Rubisco-tartalmat csökkenteni kell a N-felhasználás hatékonyságának javítása érdekében, például emelkedett CO2-értékek mellett (Mitchell és mtsai., 2000). A Rubisco szerepének összetettségét és a búza N-gazdaságába való szoros integrációját mutatja a CO2-asszimiláló kapacitás fenntartása az öreg levelekben és a Rubisco remobilizációja az öregedés és a szemtöltés során változó egyensúly. Ennek az egyensúlynak a változásai nagymértékben befolyásolják a terméshozamot és a szemek összetételét. A N-hiány különösen befolyásolja ezeket a folyamatokat, csökkentve a teljes asszimilációt, mivel a levelek rövidebb életűek, öregednek és gyorsabban veszítik el fotoszintetikus kompetenciájukat, mint amikor bőséges a N, a N növekvő szervekben történő remobilizációja miatt (Brouqisse et al., 2001); a levelek tényleges élettartamának javítása N kijuttatásával (Lawlor et al., 1989) vagy nemesítéssel (Sheehy et al., 2000) bevált módszer a termés növelésére. Bár az ilyen kölcsönhatásokat jól leírták, szükség van a N-ellátás fotoszintetikus és kapcsolódó rendszerekre gyakorolt hatásának jobb mennyiségi meghatározására, valamint a N-ellátás, a Rubisco mennyisége és a fotoszintetikus sebesség optimalizálására.

A C3 és C4 növények között jelentős különbségek vannak a levelek fotoszintetikus komponenseinek tartalmában, amint azt gyakran tárgyalták (Sage és mtsai., 1987; Evans és von Caemmerer, 2000; Lawlor és mtsai., 2001). Mivel a C4 fotoszintézis magas CO2-koncentrációt biztosít, amelyben a Rubisco működik, a C4 CO2-asszimilációhoz kevesebb Rubisco szükséges, mint a C3 CO2-asszimilációhoz, annak ellenére, hogy a C4 növényekben nagyobb a CO2-asszimiláció sebessége, még nagy fotonáram mellett is. Következésképpen az egységnyi levélre jutó N-tartalom kisebb, mint a C3 növényekben, és a nagyobb termeléshez kisebb a N-szükséglet, így javul a N-felhasználás hatékonysága. A C3 növényeket e boldog állapot felé módosítani a növényi biokémia régi törekvése, de ehhez olyan Rubisco előállítására van szükség, amelynek oxigenáz-kapacitása kisebb, vagy egyáltalán nincs, így minimalizálva vagy megszüntetve a fotorespirációt (ami a C3 növények relatív hatástalanságának oka). Amint fentebb említettük, a Rubisco olyan mérnöki beavatkozásának lehetősége, amely kiküszöböli a fotorespirációt, igen csekély. Ezért javasolták a C3 növények szerkezeti és metabolikus jellemzőinek megváltoztatását a C4 növényekben előforduló magas CO2-környezet elérése érdekében a Rubisco számára (Sheehy és mtsai., 2000). A C4 szindróma komplexitását a C3 növényekben emulálni nehéz lesz, mivel az enzimatikus és anatómiai összetettsége jelentős. Nem valószínű, hogy gyors előrelépés érhető el a C3 biokémia és anatómia C4-re történő megváltoztatásával, annak ellenére, hogy a rizs C3 fotoszintézisében nyilvánvaló javulást eredményezett a Rubisco közelében lévő CO2-koncentrációt valószínűleg növelő enzimek beépítése (Matsuoka et al., 2000) és némi siker a CO2-asszimiláció növelésében (Ku et al., 2000), 2000), ez a kívánatos cél még mindig nagyon távoli távlatnak tűnik (Evans és von Caemmerer, 2000).

Nitrátfelvétel és -asszimiláció

A

gyökér általi felvétele függ (Engels és Marschner, 1995) a

koncentrációjától a talajoldatban, a gyökerek által hasznosított talajmennyiségtől és a gyökérsűrűségtől, valamint a gyökerek

felvételének hatékonyságától. Ez utóbbit befolyásolja a metabolikus igény és a körülmények, például a hőmérséklet (Macduff és mtsai., 1987, 1993). A

gyökérfelszínre történő áramlása függ a talajjal és a vízzel való érintkezés mértékétől, a diffúzió sebességétől az ömlesztett talajból a vízben, és különösen fontos a

, a szállítás a víz tömegáramában. Ez összefügg a növények transzspirációjával és a talaj víztartalmával. A gyökérméret a növekedés és így a N-ellátottság függvénye, ami példa a növénytermesztésben jelentkező erős visszacsatolási hatásokra. Az alacsony

koncentrációból a növény által történő nagy teljes N-felvételhez nagy affinitású

transzporterek szükségesek, valamint több transzporter egységnyi gyökérfelületre, és nagyobb gyökérhossz és -felület a talaj térfogatára vetítve, hogy a diffúziós korlátozást minimalizáljuk. A

tárolási kapacitásának a sejtekben nagynak kell lennie, különösen ott, ahol az anyagcsere korlátozott, például alacsony hőmérsékleten, amikor a fotoszintézis lassú. Az egész növény belső N-felhasználási hatékonyságát (az egységnyi felhalmozott N-re jutó biomassza-termelés) a növényben zajló integrált biokémiai folyamatok határozzák meg. A N-felvétel és a környezeti feltételek széles skáláján a termelést a N-hez viszonyító egyetlen görbe azt mutatja (3. ábra), hogy a folyamatok hatékonysága genetikailag meghatározott. A biomassza-termelés és a N-felvétel kapacitása azonban nagymértékben függhet a környezeti feltételektől, beleértve a

ellátottságot is. A teljes termelés növelése elegendő N-t igényel az aszimptotához, de a legnagyobb termelés a legkevesebb N mellett optimalizálást igényel, ami a maximális termelésnél kisebb termelésnél következik be (Lawlor et al., 2001).

Az alacsony

talajkoncentrációból történő N-felvétel javításához nagyobb teljes talajtérfogat kihasználása, valamint a talaj térfogatára jutó nagyobb gyökérhossz és -felület szükséges a diffúziós ellenállás minimalizálása érdekében, amely jelentős korlátot jelenthet. Ezenkívül az egységnyi gyökérfelületre jutó több transzporter növeli a gyökér transzportjellemzőit. A transzportrendszer

iránti affinitásának növelése jelentős előrelépés lenne; ez azonban már nagy, mivel

jól felkavart oldatokban mikromoláris koncentrációból eltávolítható (Engels és Marschner, 1995), és nagyon nehéz lehet elérni.

A nitrát metabolizmusa, amely a növényfajoktól függően a levelekben és a gyökerekben játszódhat le, jól tanulmányozott (lásd a Lea és Morot-Gaudry, 2001-ben megjelent tanulmányokat). Csak a levélsejtekre koncentrálva,

a nitrát- és nitritreduktázok a fotoszintetikus elektrontranszport elektronjainak felhasználásával NH3-á redukálódnak. Az NH3 a GS/GOGAT enzimreakció révén aminosavakká alakul át, a “szén-skeletont” pedig a mitokondriumokban a trikarbonsavciklusból származó szerves savak biztosítják. A szerves savak szintéziséhez szükséges szénhidrátok végső soron a fotoszintetikus CO2-asszimilációból származnak, a GS/GOGAT-reakcióhoz szükséges ATP pedig a fotoszintézis és a légzés során keletkezik. Így a N- és C-anyagcsere legkorábbi fázisaiban szoros kölcsönhatás van, mindkettő a fényenergiát használja, a fotoszintetizáló levelekben az elektronáram mintegy 10%-át

redukcióra fordítják (Foyer et al., 2001). Az asszimilált szén és N aránya azonban nem mereven rögzített, mert ha a

kínálat a CO2-hez képest nő, akkor több aminosav és fehérje halmozódik fel a CO2-asszimiláció sebességéhez és a szénhidráttartalomhoz képest, ami a növekedés serkentésével csökkenhet (Lawlor et al., 1987,a, b, c). A folyamatok között verseny van: levelekben a korlátozott

ellátás csökkentette a CO2-asszimiláció szubsztrátjának, a ribulóz-biszfoszfátnak (RuBP) a tartalmát, de növelte az ATP/ADP arányt, ami arra utal, hogy verseny lehet a reduktánsért (Mächler et al., 1998). A nagy N-ellátottsággal termesztett levelek nagyobb potenciális CO2-asszimilációja miatt a CO2 és

asszimiláció közötti verseny mértéke rejtve maradhat. Az N/C arány az erőforrások, különösen a N, de a CO2 rendelkezésre állásának függvényében változik, a CO2-ellátottság növekedésével csökken (Theobald et al., 1998), és nagymértékben függ a hőmérséklettől. Például hűvös körülmények között a szervnövekedés jobban lelassul, mint a N-asszimiláció és -felhasználás, így az N/C arány nő a meleg körülményekhez képest. Ha bőséges

áll rendelkezésre, a N nagy része fehérje, kisebb mértékben aminosavak és

rövid vagy hosszú távú poolokban “tárolódik” (azaz metabolikusan inaktív), amíg kapacitásuk telítődik. Képességüknek genetikailag meghatározottnak kell lennie, bár a szabályozásuk módja nem jól ismert (Heilmeier és Monson, 1994).

A fehérjeszintézis jelentősége, valamint a különböző fehérjék mennyiségét és relatív arányát szabályozó genetikai és környezeti tényezők központi szerepet játszanak a N anyagcserére és növekedésre gyakorolt hatásainak megvitatásában. A fehérjeszintézis sebessége, ha minden más tényező nem limitáló, a hőmérséklettől függ. Nagyon alacsony hőmérsékleten leáll, a hőmérséklet emelkedésével maximumra nő, majd a további emelkedéssel csökken. Ez hatással van minden növényi folyamatra, és megváltoztatja az aminosavak és így a nitrát iránti igényt. Kísérleti bizonyítékok azt mutatják, hogy ahogy a fehérjeszintézis igénye csökken, úgy halmozódnak fel az aminosavak, és a

iránti igény csökken, de a felvétele nem, így

felhalmozódik, a

koncentrációra adott válasz tehát változik, és a hőmérséklet és a nitrátellátás, valamint a növekedés között markáns kölcsönhatás van (Lawlor et al., 1987,a, c, 1988; Miller et al., 2001). Nem megfelelő N esetén a levelek aminosavtartalma csökken, kevesebb fehérje szintetizálódik, és a növekedés általában jobban csökken, mint a fotoszintézis, így a szénhidrátok felhalmozódnak, és az N/C arány alacsony. Növények esetében ezeknek a folyamatoknak és kölcsönhatásoknak a részletei ritkák, bár döntő fontosságúak a növekedési mechanizmusok és a N-szükséglet megértéséhez.

A nitrogén-anyagcsere módosítása potenciálisan lehetséges, mivel a folyamatok és különösen a kapacitás nagy természetes változatosságot mutatnak (Limami és de Vienne, 2001). A nitrát-reduktáz aktivitás egységnyi levélfelületre vetített mennyiségének növelése potenciálisan a redukált nitrát összmennyiségének növelését jelenti; a nitrát-reduktáz aktivitását

indukálja, és szabályozása összetett, ami lehetőséget nyújt a nitrátredukció mennyiségének és ezáltal sebességének megváltoztatására. Bőséges

esetén a nitrátfelhalmozódásból (Lawlor et al., 1987a) egyértelmű (lásd a korábbi tárgyalást), hogy a redukció mértékének a környezeti feltételektől, különösen a hőmérséklettől függően korlátai vannak. Az aminosavak felhalmozódása is azt mutatja, hogy a fehérjeszintézis korlátozó tényező. Ha azt vizsgáljuk, hogy a N-hez kapcsolódó anyagcserét hogyan lehet módosítani, egyértelmű, hogy az egész anyagcserében nagyon összetett kölcsönhatások és a környezet jelentős hatásai vannak, amelyek együttesen határozzák meg a növény növekedését és összetételét.

A fehérjeszintézis folyamatainak módosítása az alapanyagcsere jelentős változását jelentené. Egy fehérje mennyiségének növeléséhez a szintézis kapacitásának növelésére lenne szükség, például a helyek számának növelésével, mert adott hőmérsékleten, bőséges aminosavak mellett a meglévő kapacitás limitáló lenne. Valóban, a kapacitásnak ez a bekapcsolása lehet a helyzet a nagy fehérjetartalmú növényekben, és a bőséges

reakcióban. Az ilyen fogalmakat azonban alig vizsgálták. A

felszívódó és felhasznált mennyiségének növelése szubszaturáló és telítődő kínálat mellett különböző megközelítéseket és potenciálisan számos anyagcsere-változást igényel.

Levelek növekedése és összetétele

A levelek növekedési sebességét és összetételét jelentősen befolyásolja a N a növekedés során, és jól dokumentált és érthető a szerkezet változásai szempontjából, bár a mechanizmusok nem annyira jól ismertek (Nelson és Dengler, 1997). Különösen érzékenyen reagálnak a növekvő N-ellátásra, ha az korlátozó (lásd a N-válaszgörbékről szóló szakaszt). Ezt mutatták ki azok a kísérletek (Lawlor et al., 1987,a, b, c, 1988), amelyek a hőmérséklet és az N-ellátás búzalevélre gyakorolt relatív hatásait és kölcsönhatásait vizsgálták. Hűvös (13/10 °C nappali/éjszakai hőmérséklet) a meleg (23/18 °C) növekedési körülményekhez képest, és hiányos (4,5 mM) a bőséges (19,9 mM)

ellátottsághoz képest, az alacsony N-ellátottság csökkentette a levél növekedési ütemét, de nem csökkentette annak időtartamát, bár a végső méretét csökkentette (1. táblázat). A levelek kevesebb, kisebb térfogatú sejtet tartalmaztak. Az alacsony N csökkentette az oldható (beleértve a Rubisco-t is) fehérjetartalmat és a levélenkénti fehérjeszintézis sebességét, de növelte a strukturális és nem strukturális fehérjék arányát. A

ellátottsága döntő fontosságú a levél növekedése szempontjából, mivel a fehérjék szerepet játszanak a sejtfalak és a citoszkeleton növekedésében és ezáltal a sejtek terjeszkedésében (Lawlor et al., 1988). Úgy tűnik, hogy a szerkezeti fehérjék szintézise elsőbbséget élvez más komponensekkel szemben, mivel nagyon alacsony N-ellátottság esetén a maradék (oldhatatlan) fehérje N-tartalma megnő az oldhatóhoz képest, ami arra utal, hogy egy bizonyos mennyiségű (3 g m-2 ) fehérje szükséges az alapvető sejtstruktúrák szintéziséhez (Lawlor et al., 1989; Theobald et al., 1998), amely nélkül más struktúrák nem tudnak kialakulni. Az anyagcsere bőséges N-ellátásával a levelek stb. öregedése minimálisra csökken és lelassul, így meghosszabbodik a tényleges élettartamuk (a levélfelület időtartama). Hogy mi határozza meg a sejtkomponensek szintézisének relatív érzékenységét a

-ra, nem világos. Nem ismert a kapcsolat például a

koncentrációja az egyes sejtkompartmentekben (Miller et al., 2001) és az aminosavkoncentrációk között, valamint az, hogy ezek hogyan kapcsolódnak a Rubisco vagy a sejtfal fehérjeszintézis sebességéhez. A válaszok ilyen specifitása fontos a mechanizmusok megértéséhez, mivel a sejtnövekedés a N-ellátottságtól függően másképp kapcsolódik a Rubisco-akkumulációhoz és a fotoszintézishez, ami befolyásolja a sejtméret, az asszimilációs ráták és a szöveti összetétel közötti összefüggéseket. Az alacsonyabb hőmérséklet csökkentette a növény növekedési ütemét és a végső területet, de növelte a levélkiterjedés időtartamát. Az egységnyi levélfelületre jutó oldható és Rubisco-fehérje azonban nőtt, annak ellenére, hogy az egy levélre jutó fehérjeszintézis sebessége csökkent. Az értelmezés szerint az alacsonyabb hőmérséklet kevésbé lassította a fehérjeszintézist, mint a levél kiterjedését, így a fehérjetartalom nőtt a meleg körülményekhez képest (Lawlor és mtsai., 1988). Ez az alacsonyabb hőmérséklet ellenére fenntartotta az anyagcsererátát. A

, az aminosavak és a szénhidrátok mennyiségének komplex változása a N-ellátottság és a hőmérséklet függvényében azzal magyarázható, hogy a különböző folyamatok – fehérjeszintézis, szervnövekedés, fotoszintetikus sebesség – különbözőképpen reagálnak a környezeti körülményekre. A lehetséges kölcsönhatásokat a 4. ábra jelzi. Végső soron a növények növekedésének magyarázatához, a N-nek a folyamatokra gyakorolt hatásaihoz és a hőmérséklettel való kölcsönhatásokhoz stb. sokkal jobban meg kell érteni, hogy mi határozza meg a levelek növekedését és összetételét. A levél fejlődésének, öregedésének és összetételének megváltoztatása a termelés és a N-felhasználás hatékonyságának növelése érdekében a sejtek fejlődéséért, osztódásáért és növekedéséért felelős rendszerek módosítását igényli. A növekedés és az összetétel plaszticitása, amely a N-ellátás és más környezeti feltételek hatására jelentkezik, azt sugallja, hogy a levélnövekedés stb. megváltoztatására van lehetőség, de az anyagcsere-folyamatokhoz hasonlóan a korlátozó folyamatok sem egyértelműek, és a közvetlen módosítás nagyon nehéz lehet. Nem ismert, hogy a különböző fajok vagy a különböző körülményekhez alkalmazkodott ökotípusok evolúciója, illetve a különböző fajták szelekciós nemesítése során milyen változások történtek.

Növénynövekedés, terméshozam és N

Sokat írtak már erről a témáról (Lawlor et al., 2001), ezért itt csak nagyon röviden foglalkozunk vele. Lényegében lineáris kapcsolat van egy növény által termelt teljes szárazanyag és az általa befogott sugárzás között (Monteith, 1977); ennek oka, hogy a fény biztosítja az energiát minden anyagcseréhez. A sugárzáselnyelés a levélfelület-index (LAI; a levélfelület és a talajfelület aránya) és így a levelek méretétől és számától függ, amelyet a gabonaféléknél jelentősen befolyásol a talajművelés, és – mint említettük – aszimptotikusan függ a N-ellátottságtól. Az LAI és a sugárzásbefogás közötti kapcsolat azonban nem lineáris: kb. 3-nál nagyobb LAI esetén a PAR-befogás megközelíti a 90%-ot, és az LAI további növekedése nem növeli jelentősen a fénybefogást. A N-nek a levélfelületre gyakorolt hatásán kívül a fotoszintetikus sebesség növekedése is megfigyelhető nagy N-ellátás esetén, a tárgyalt okok miatt. E két kapcsolódó hatás következtében erős aszimptotikus kapcsolat van a biomassza és a N-ellátottság között (2. ábra, lásd a N-válaszgörbékről szóló tárgyalást). A biomassza lineárisan növekszik a N-ellátás növekedésével a kis értékektől (ebben a régióban a termelés jelentős növekedését eredményezi a N-ellátás kis mértékű növekedése), és nagy ellátottságnál elér egy platót, amikor a növény a genetikailag meghatározott potenciális sebességgel növekszik.

A N-tartalom/egységnyi biomassza (N% a szárazanyagban) gyakran használják annak jelzésére, hogy mennyire megfelelő a N-ellátás a növény növekedéséhez (Lawlor et al., 2001). A N% azonban nem fix érték, és a növény fejlődésével, valamint szerkezetének és biokémiai összetételének változásával csökken. A nagy fehérje- stb. tartalmú levelek a korai növekedésben, a több cellulózt és lignint és kevés fehérjét tartalmazó támasztó szárak pedig később alakulnak ki. Az N-tartalom (N%) tehát a kor előrehaladtával csökken, és a környezettől is függ. A N-hiány csökkenti az N%-ot, mivel a levél:szár arány csökken, és a levelek fehérje- és klorofilltartalma jobban csökken, mint a szénhidrátoké (lásd korábban). A N% változását már felhasználták a növények N-kijuttatásának ütemezésére (Lawlor et al., 2001), és az ilyen technikák további fejlesztése kétségtelenül gyakorlati gazdasági értékkel bír majd.

A termés a növény vagy a termésnek az a része, amelyet egy adott célra használnak fel, tehát a növénytől és az emberi igényektől függ. A gabonafélék esetében a szem az elsődleges hozam, a teljes termelés pedig a területenkénti növényszámtól, a növényenkénti tőszámtól, a tőszámtól, a szemenkénti szemek számától és a szemenkénti tömegtől függ. A korai növekedés során a kalászok és a levelek képződése határozza meg a későbbi szemképző képességet és az azokat kitöltő asszimilátumok termelését. A genetikai terméspotenciál eléréséhez tehát a rendszer számos, összetett módon szabályozott részének növekedését befolyásoló összes tényezőt optimalizálni kell a növény teljes élettartama alatt (Slafer et al., 1996).

A megfelelő

és CO2 asszimiláció mellett a fejlődő merisztémák asszimilátumellátása megfelelő a növekedésük fenntartásához, így növényenként és területenként több kalász keletkezik és marad fenn, és hasonlóan a szemeknél is. A szemek növekedési kapacitása is megnő, valószínűleg azért, mert több, nagyobb enzimkapacitású sejt keletkezik. Mivel a szemtöltés során megfelelő asszimilátumok állnak rendelkezésre, több szem töltődik meg, és azok nagyobbak. Ezek a tényezők együttesen nagy termést eredményeznek. Normál szántóföldi körülmények között a vegetatív és a reproduktív szervek relatív termése telephelyenként és évenként változik, ami a környezet, különösen a N-ellátottság különbségeinek következménye. Ezért a szemtermés és a biomassza aránya (a termésindex, HI) nem állandó, hanem a körülmények függvényében változik. Ahol a környezeti változások korlátozottak, ott a HI viszonylag állandó, de ha a korai növekedés során kevesebb asszimilátum áll rendelkezésre, kevesebb tenyészszem marad életben, ami kevesebb fürtöt és szemet eredményez fürtönként, és így kevesebb terméshozamot. Később a korlátozott asszimiláció csökkentheti a szemek töltődését. A N-ellátottságnak jelentős jelentősége van, mivel befolyásolja az aminosavak elérhetőségét a fehérjeszintézishez a szemképződés során és később raktározási fehérjeként (Heilmeier és Monson, 1994).

Talán túl kevéssé értékelik, hogy a termésösszetevőkhöz hozzájáruló különböző folyamatok viszonylag függetlenek egymástól, különböző tényezők befolyásolják őket, és hogy a korai növekedésnek jelentős előremutató hatása van. Az is jelentős jelentőséggel bír, hogy a környezeti tényezők a növény és egyes szervei fejlődéséhez képest milyen időpontban fejtik ki hatásukat. Mivel sok tényező játszik szerepet, és ezek dinamikusak, a növények reakciói nem jósolhatók meg könnyen, mégis agronómiai szempontból jelentős jelentőséggel bírnak. A növények számos felhasználási módja nagyon érzékeny a minőségi jellemzőkre, például a sörárpa esetében a szemekben alacsony fehérjetartalmú N-re van szükség, ezért a késői N-ellátásnak minimálisnak kell lennie a fehérjetartalom csökkentése érdekében, de a terméspotenciál eléréséhez korai N-kijuttatásra van szükség, ami konfliktushoz vezet, amit a talajból származó N-ellátottság bonyolít. Fontos az ilyen folyamatok mechanizmusainak jobb megértése, hogy a növények N-szükségletét előre lehessen jelezni. A terméshozam és a minőség (beleértve a N-tartalmat is) szelekciós nemesítéssel elért változásai figyelemre méltóak és tartósak voltak. A nagyobb terméshozamok nem a megnövekedett biomasszatermelésből adódtak a búzában, hanem nagyrészt a megnövekedett szemszámból és a szemek kitölthetőségének méretéből. Ez a vegetatív növekedés rovására történt, így növelve a HI-t (Evans, 1998). Nyilvánvaló, hogy az asszimilátumok kínálata lépést tartott a szemtermelés genetikai potenciáljával. Azonban az anyagcserében bekövetkezett változások, amelyek ezeket a változásokat kísérték, nem ismertek, így kevés útmutatást nyújtanak az anyagcsere-folyamatok szintjére irányuló módosításokhoz.

Genetikai potenciál

A genetikai potenciált úgy lehet meghatározni, mint a növény teljes kapacitását a biomassza vagy termésképzésre, ha a környezeti korlátok megszűnnek (Richards, 1996); a nemesítők és az agronómusok gyakran hivatkoznak a terméspotenciálra, bár a teljes termelés sokkal relevánsabb, amikor azt vizsgáljuk, hogyan lehet növelni a növények potenciális növekedését. A terméspotenciál a genetikai információ függvénye, amely meghatározza a fehérjék jellemzőit, így meghatározza a szerkezetet, a növekedést és a fejlődést, valamint azt a méretet, amelyre a rendszer növekedhet. Ezt a növekedési ciklus során elérhető maximális méretet nevezhetjük genetikai potenciálnak. A folyamatok maximális sebessége is genetikailag meghatározott. A genetikai potenciált az alapelvekből kiindulva még nem lehet kvantitatív módon meghatározni, ezért szükség van egy operatív definícióra. Mivel a növények (jó példa erre a búza) gyakran nagyszámú, kedvező körülmények között növekedni képes merisztémát képeznek, nagymértékben reagálnak a rendelkezésre álló erőforrásokra, azaz nagyon “plasztikusak”. Ezért a genetikai potenciál meghatározott körülmények között határozható meg (Richards, 1996). A mezőgazdaságban ez általában a talajfelszín egységnyi területére vonatkozik, a szokásos beeső napsugárzással, a hőmérséklettel és a légköri CO2-vel együtt, amelyek viszonylag egységesek és nehezen módosíthatók. Amint korábban említettük, a jelenlegi légköri CO2-mennyiség növelése jelentősen növeli a biomasszát és a terméshozamot, ami azt mutatja, hogy a terméspotenciál függ a körülményektől és annak meghatározásától. A hőmérsékletnek különös jelentősége van, mivel befolyásolja a biokémiai folyamatok sebességét (lásd a korábbi tárgyalást), és így meghatározza a potenciált, amelynek maximuma optimális hőmérsékleten vagy optimális hőmérsékleti tartományon belül jelentkezik. A mezőgazdaságban megváltoztatható környezeti tényezők, mint például a táplálkozás, a vízellátás, valamint a kártevők és betegségek azonban úgy módosulnak, hogy a termelést nem befolyásolják, azaz nem korlátozzák a genetikai potenciált. Mivel a mezőgazdaságban számos olyan folyamat van, amelyre az egyes körülmények eltérő módon hatnak, a körülmények optimalizálása helyett azok maximalizálása válhat szükségessé. Így a genetikai potenciál mérése a környezettől függően változhat (a genotípus×környezet kölcsönhatás vagy G×E; Hollamby és Bayraktar, 1996).

Az elmúlt évszázadban bekövetkezett jelentős termésnövekedés mintegy felét a növények javított genetikai tulajdonságaiból, a többit a jobb gazdálkodásból, különösen a fokozott trágyázásból nyerték (Austin et al., 1993). A “zöld forradalom” valóban mind a genetikai potenciál javításán, mind pedig a megfelelő feltételek, különösen a tápanyagok megfelelő mennyiségben és időben történő biztosításán alapult (Evans, 1998). A növénynemesítés nem növelte egy növény, például a búza biomassza-termelésének genetikai potenciálját, mivel a régi és az új fajták megfelelő feltételek mellett hasonló biomasszát termelnek. Növelte azonban a szemtermés-potenciált, és ezáltal a szemtömeg és a teljes föld feletti biomassza arányát vagy a betakarítási indexet. A szemek minőségi jellemzőit, például a fehérje-szénhidrát arányt (pl. a takarmányozásra vagy sörfőzésre szánt árpában) vagy a különböző fehérjék arányát (pl. kenyérkészítéshez) szintén módosították: ezeket szintén befolyásolja a környezet, például a N-ellátás.

A termés potenciáljának javítása megköveteli az anyagcsere egyes részeinek azonosítását, amelyeket meg kell változtatni az adott teljesítmény eléréséhez. Ha a N-ellátottság olyan, hogy a meglévő terméspotenciált elérjük, a termelés növelésének egyetlen módja a N-felhasználás hatékonyságának javítása az anyagcserében. Az anyagcserét vagy úgy kell megváltoztatni, hogy több C-asszimilációt érjünk el N-egységenként, vagy úgy, hogy növeljük a N-felhasználási kapacitást. Az előbbi növeli a biomasszát, de csökkenti a C/N arányt, és nem biztosít több fehérjét. Az utóbbi nem biztos, hogy elérhető, mert a fény jelentős korlátot jelentene, mivel nagy N esetén a LAI már olyan nagy, hogy a rendelkezésre álló sugárzás több mint 95%-át felhasználják (Sheehy et al., 2000). Ennek a korlátozásnak a leküzdése a fotoszintetikus anyagcsere legátfogóbb változtatásait igényelné, és óriási kihívást jelentene (Evans és von Caemmerer, 2000). Ha a N limitáló tényező, akkor a híg oldatból történő N-felvétel növelésére vagy a hasznosított talajmennyiség növelésére, azaz a felszívódás hatékonyságának vagy a gyökérnövekedés növelésére van szükség. A növényben az egységnyi N-re jutó C-asszimiláció hatékonysága változatlan maradna, de a biomassza-termelés növekedne, csakúgy, mint az N/C arány, mint a jelenlegi, bőséges N-vel ellátott növények esetében. Ha a gyökér N-ellátottsága úgy változik, hogy rövid távon nem felel meg a növekedési ütemnek, akkor a növényben lévő nagy N-raktárak biztosításával elegendő N-t lehetne biztosítani a biokémiai követelmények kielégítéséhez (Macduff et al., 1993). Egy ilyen megközelítés talán könnyebben megvalósítható, mint az alapanyagcsere módosítása, mivel a fehérjetárolási kapacitás – egy “végtermék” – növelése nem járna kiterjedt szabályozással. Ahhoz azonban, hogy ideiglenes N-raktárként hatékony legyen, szükség lenne a remobilizációs gépezetre, a N-hiányt észlelő és a fehérjebontást kiváltó rendszerekkel. Természetesen, ha a tárolásból és a talajból származó ellátás mértéke hosszú távon a szükséglet alá csökken, akkor a növekedés korlátozott lesz. Itt fontos a szén- és nitrogénasszimiláció alapvető folyamatainak és a terméshozamhoz való viszonyuknak a megértése. Ez irányadó lehet az agronómiai gyakorlat, a nemesítés és a géntechnológia számára.

N-válaszgörbék

A növekedés és a N-ellátás közötti kapcsolat meghatározásához, korlátozó N mellett, valamint a genetikai potenciál meghatározásához nem korlátozó N mellett, a növényeket standard (vagy legalábbis azonos) fény-, hőmérséklet- és CO2-környezetben termesztik – amely nem feltétlenül optimális a legnagyobb termeléshez -, miközben minden más feltétel nem korlátozó, kivéve a N-ellátást (Angus, 1995). Ezután a N-trágyát a növény különböző területeire különböző mennyiségben (a nullától a szükségletet meghaladó mennyiségig) juttatják ki. A növény biomasszájának vagy terméshozamának növekedését ezután a kijuttatott N mennyiségének függvényében határozzák meg. A növény növekedése és a kijuttatott N mennyisége közötti kapcsolatot számtalan kísérletben határozták meg, és gyakran megvitatták (Ter Steege et al., 2001). Az általánosított válasz (2. ábra) azt mutatja, hogy nagyon kevés N esetén a termelés nagyon kicsi, lineárisan növekszik a N-ellátással, míg végül el nem éri az aszimptotát, azaz a N további növelése nem növeli a termést, ami a genetikai potenciált jelenti. Ha a növekedést a növény által felhalmozott N-hez viszonyítjuk, a kezdeti meredekség, amely a növény N-felhasználásának valódi vagy belső hatékonyságát jelenti, meredekebb (több biomassza egységnyi N-re vetítve), mint ha a kijuttatott N-hez viszonyítjuk. A különbség a N-felhasználás hatékonyságának mérőszáma, akárcsak a különbség a biomassza-termelés platójának elérési pontja között, amikor a felvett N és a kijuttatott N egységenként kifejezve eléri a biomassza-termelés platóját. A termelést a kijuttatott N-hez viszonyító görbe meredeksége a kijuttatott N-felhasználás hatékonysága. Alacsony N-ellátottság esetén a hatékonyság nagy, és a N-ellátottság növekedésével mindkét esetben csökken. A kijuttatott és a felhalmozott N közötti különbség értékes információt nyújt a N-forrásokról és -veszteségekről (Bacon, 1995; Ter Steege et al., 2001). A N származhat a csapadékból és a talaj tartalékaiból, valamint a kijuttatott műtrágyákból, így nagymértékben befolyásolja a kijuttatott N-ból származó látszólagos választ. Hasonlóképpen a kimosódás, a bakteriális anyagcsere és a talajból és növényekből származó kibocsátások stb. miatti N-veszteségek is befolyásolják az értelmezést.

A N-válaszgörbék használata sok mennyiségi információt szolgáltatott a N-szükségletről, az időzítésről stb. (Angus, 1995; Lawlor et al., 2001). A korai tanulmányok kimutatták a tápanyagokra, köztük a N-ellátásra adott növényi válaszok lényegében aszimptotikus jellegét, amint azt a N-válaszgörbék esetében tárgyaltuk. Blackman “a korlátozó tényezők törvénye” foglalta össze a koncepciót. Mitscherlich például kidolgozott egy egyenletet (Y=Ymax(1-e-cN), amely az Y terméshozamot az alkalmazott nitrogén mennyiségével és a maximális terméshozammal (Ymax) kapcsolja össze, amelyet az Y és a N-ellátás közötti válaszgörbe aszimptotópja ad; c egy görbületi tényező. Az Ymax (amely a genetikai potenciál mérőszáma) és a c változó az évszakok és a termőhelyek között, és nem lehet könnyen alkalmazni a különböző körülményekre, de a megközelítés lehetővé teszi a N-szükséglet becslését (lásd Angus, 1995, a vitát). Az Ymax eléréséhez a megfelelő N-mennyiséget (Nmax) kell biztosítani, például ha egy 10 t ha-1 szemes termény Nmax 2% N mellett (összesen 200 kg N) és 10 t ha-1 szalma Nmax 0,5% N mellett (összesen 50 kg N), akkor 250 kg/ha-1 szükséges az egész termés számára. Ez egyben a növény N-igényét is jelenti, és azonosítható a N-felvétel és a terméshozam genetikai potenciáljával. Ha a növényben lévő N-mennyiség (Nmin) különbsége kisebb, mint az Nmax, akkor a szükséges N-mennyiséget (az igényt, D) a D=(Nmax-Nmin)×növény tömege adja meg. Ez a N-szükséglet egyszerű értékelését teszi lehetővé, de hosszú távú, ismétlődő mérések átlagain kell alapulnia.

A N-állapot és anyagcsere mutatói a mezőgazdaságban

Mivel a termelés és a hatékonyság növelése, valamint a szennyezés csökkentése érdekében a növények N-kijuttatásának mennyiségét és időzítését módosítani kell, logikus a növényben lévő N mérése a N-szükséglet jelzésére (Neeteson, 1995). A talajban lévő N mérése kevésbé közvetlen, és nem feltétlenül tükrözi a növényi folyamatok dinamikáját és a környezetnek a növényre gyakorolt hatását. A N mérésének gyorsnak, egyszerűnek és hatékonynak, valamint olcsónak kell lennie. Mivel a levelek tartalmazzák a termés N-jének nagy részét, általában a teljes N-t, vagy a N-ellátáshoz szorosan kapcsolódó, a változó N-ellátásra és annak a kereslethez való viszonyára gyorsan reagáló komponenseket mérik. Az összes N elemzése lassú, mivel mintavételt és a szövetek előkészítését, valamint speciális analitikai berendezéseket igényel, ezért általában nem használják a N dinamikájának mérésére. A

koncentrációjának (amely a

kínálatától és keresletétől függ) gyors kolorimetriás vizsgálata a kifejezett nedvből vett kis mintákban a terepen is elvégezhető, gyorsan és olcsón elvégezhetők, és a N-állapot hasznos mutatójának tekintik, de nem használták széles körben a N-kijuttatás irányadójaként (Neeteson, 1995). A klorofilltartalom, amely erősen összefügg a N-ellátottsággal, a szántóföldön mérhető fotométerrel, például a Minolta SPAD-502 klorofillmérővel (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), amely gyors és megismételhető. A SPAD-mérések kalibrálhatók a levelek klorofilltartalmának meghatározására, vagy közvetlenül a növény teljesítményével korrelálhatók (Peltonen et al., 1995), ami a N-státusz és a N-szükséglet értékelésének gyakorlatias, bár a

tartalomra vonatkozó vizsgálatoknál kevésbé dinamikus módszerét biztosítja. Az ilyen, biokémiai és élettani ismereteken alapuló megközelítéseket ösztönözni kell.

A nitrogén modellezése a környezetben és a növényben

A N-válaszgörbék használata nagy értéket képvisel a növények N-szükségletének értékelésében (Angus, 1995). Ezek a módszerek azonban általánosítások, amelyek nem tudják könnyen figyelembe venni a különböző termőhelyeken és különböző években termesztett növények közötti különbségeket, amelyek a változó N-ellátottság és a termésigényt, N-veszteséget stb. befolyásoló időjárás következményei. Dinamikus megközelítésekre van szükség a gyors reagálás és a kínálat kereslethez való “finomhangolása” érdekében. E folyamatok modelljei jól kidolgozottak és széles körben használják a N-trágya alkalmazásának ajánlására (pl. döntéstámogató rendszerekben), a N-felhasználás hatékonyságának növelésére és a szennyezés csökkentésére (Addiscott et al., 1995). A modellek fejlesztésére van szükség, különösen a növénytermesztési folyamatok (pl. a hőmérséklet alapján mérhető vagy modellezhető növekedési sebességek) rövid távú kezelésére, hogy a N-szükségletet meghatározott időpontokban vagy a növény növekedési szakaszaiban értékelni lehessen. Viszonylag kevés biokémiai információt használtak fel a szimulációs modellekben a mechanizmusok jobb megértése és a N alkalmazásának (időzítés és mennyiség) javítása érdekében.

A szimulációs modellezés típusának főbb korlátai a következők: a mechanizmusok egyes részeinek nem megfelelő mennyiségi megértése (enzimek jellemzői, a köztitermékek medencemérete), a különböző mechanizmusok közötti kapcsolat hiányos ismerete (kapcsolat a C és N asszimiláció között, szállítás a növényen belül) és az alapvető anyagcserére vonatkozó rövid távú mérések és az általános növényi reakciók közötti kapcsolat nehézsége. A rendszer összetettsége kizárja a valóban “mechanisztikus” szimulációs modellek kidolgozását, és felveti a kérdést, hogy mennyire lehet összetett egy modell, hogy érthető, stabil és tesztelhető legyen? Az összetett anyagcsere-modellek értékesek a mechanizmusok feltárásához és számszerűsítéséhez, és jelzik, hogy milyen információkra van szükség (Evans és von Caemmerer, 2000). A tapasztalatok azt mutatják, hogy a nagyon összetett modellek a gyakorlatban korlátozott értékkel bírnak. A modellek általában empirikus összefüggéseket tartalmaznak, amelyek jól tesztelve elfogadható pontosságot biztosíthatnak az alkalmazás során. A N-felhasználás hatékonyságának javítása érdekében több erőfeszítésre van szükség az empirikus összefüggéseken alapuló, biokémiai információkat is tartalmazó szimulációs modellek kidolgozásához és javításához.

A jövő lehetőségei

Tény, hogy a növénytermesztésben részt vevő folyamatok nagyon összetettek és többrétegűek, a molekuláris szintektől az egész szervezetig terjednek, és a környezeti tényezők a szervezet minden szintjére hatással vannak. A lényeg az, hogy ha a N-ellátottság kevesebb, mint amennyi a genetikai potenciál eléréséhez szükséges, akkor a nagyobb biomassza eléréséhez a N-felvételt kell növelni. Ez történhet vagy a kiaknázott talaj térfogatának növelésével és a diffúziós korlátok csökkentésével a nagyobb gyökérsűrűséggel, vagy a gyökér N-affinitásának növelésével. Alternatív megoldásként növelni lehetne az egységnyi felhalmozott N-re jutó C-asszimilációt, így a kisebb N-felhalmozásból nagyobb biomassza keletkezne. A biomassza genetikai potenciáljának növelése elméletileg a felhalmozott N egységenkénti C-asszimilációjának növelésével érhető el, a C/N arány növekedésének árán. Ez feltételezi, hogy megfelelő fényenergia állna rendelkezésre, ami nem valószínű, mivel most a teljes lombkorona mellett szinte minden energia elnyelődik. Ha több N-t asszimilálnánk, de a C-asszimiláció egyensúlyának megváltoztatása nélkül, ez elméletileg növelné a biomasszát és fenntartaná a jelenlegi C/N arányt. Ekkor azonban valószínűsíthető lenne a fénykorlátozás. Alternatív megoldásként a biomassza növelhető lenne a fényfelvétel (hosszabb tenyészidőszak) és a fény hatékony felhasználásának meghosszabbításával (“zöld marad” genotípusok). Az előbbi az egyik fő oka az őszi búza nagyobb biomasszájának és terméshozamának a tavaszi búzához képest. Az utóbbit is kihasználják.

A termelés és a N-felhasználás hatékonyságának javításához kulcsfontosságú annak megértése, hogy a folyamatok hogyan reagálnak a N-re, és ez elengedhetetlen a genetikai potenciál növeléséhez (Sheehy et al., 2000). Az egész növénynek, mint a mezőgazdasági rendszerek központi elemének a környezeti feltételekre adott válasza csak akkor érthető meg, ha a rendszer szervezetét értékeljük. Emellett értékelni kell a N-ellátást szabályozó környezeti tényezőket is. Egyetlen kutatási programban azonban lehetetlen az összes szempontot együttesen, különböző körülmények között elemezni, illetve a gyakorlati alkalmazás érdekében kombinálni, ezért van szükség a modellezésre. Ez különböző koncepciókat eredményezett arra vonatkozóan, hogy hogyan kezeljük a “problémát”, azaz a N-szükséglet megértését, és hogyan használjuk fel a N-t a mezőgazdasági termékek minőségének és mennyiségének módosítására és javítására. A két végletet a redukcionista és az agronómiai megközelítés jelenti. A redukcionizmus úgy véli, hogy a genom szerkezetének ismerete elegendő információt nyújt ahhoz, hogy a növények jellemzőit a kiválasztott irányokba lehessen módosítani a N-re adott válasz javítására, valamint a mezőgazdasági rendszerek termelékenységének, hatékonyságának és hozampotenciáljának növelésére. Ez a nézet elfogadottnak tűnik a molekuláris biológusok és a génmérnökök körében (Matsuoka et al., 2000). Jelenleg sok erőfeszítés és lelkesedés irányul a növények genomjának megértésére, és az élelmiszertermelés növelésének reménye a genetikai potenciál növelését célzó génmódosításra összpontosul. Tekintettel a növények alrendszeri jellegének összetettségére és a környezettel való jelentős kölcsönhatásra. Ezt a nézetet még kevésbé szélsőséges formájában is rosszul megalapozottnak és tarthatatlannak tartom. Valamikor a biokémia szerepét is hasonlóan látták (pl. a növénytermesztés szabályozása a nitrátreduktáz aktivitással), de a gyakorlatban viszonylag kevés konkrét módosítás és agronómiai javulás következett be. A biokémiai elképzelések és információk nélkülözhetetlenek voltak a növény-környezet rendszer megértéséhez. A jelenlegi elképzelések interaktív és dinamikus biokémiai rendszerekről szólnak, számos visszacsatolt és előrecsatolt szabályozási folyamattal, amelyek stabilitást és rugalmasságot biztosítanak az anyagcsere, a növekedés stb. terén, de a feltételezettnél nehezebb lehet konkrét módon megváltoztatni őket. Az agronómiai megközelítés alapvetően empirikus, a maximális (vagy optimális) termeléshez szükséges ráfordítások kísérleti meghatározásán alapul: ez a régi módszer sikeres, de térben és időben korlátozott, ezért specifikus, és így csak általánosságban alkalmazható. Ez nem az, amire a mezőgazdaságban az erőforrás és a termelés finomhangolásához szükség van, és azt eredményezte, hogy nem sikerült kihasználni a mechanisztikusabb biokémiai ismereteket (esetleg szimulációs modellezéssel összekapcsolva) a hatékonyság javítása, a szennyezés csökkentése stb. érdekében.

A terméshozam-potenciál növekedése az elmúlt 50 évben az empirikus szelekciós nemesítésnek köszönhető, amelynek biokémiai és élettani inputja a folyamatok (például a szem fehérje minőségét, a betegségekkel szembeni ellenállást stb. szabályozók) és a szelekciós kritériumok jobb megértéséhez, valamint a jelentősen javított analitikai módszerekhez vezetett. A szelekciós nemesítés nagymértékben újrakombinálja a genetikai információt, és olyan “végtermékekre” szelektál, mint a szemek mennyisége és minősége. Ez az eljárás olyan biokémiai folyamatok és azok kombinációinak kiválasztását eredményezi, amelyek optimalizálják az alrendszerek tevékenységét, de lényegében a rendszert “fekete dobozként” kezeli. Bár valószínűleg még sokáig ez a megközelítés fogja biztosítani a termés jellemzőinek javulását, ki kell használni a molekuláris biológia által a genom és ezáltal az alapvető biokémiai folyamatok megváltoztatására kínált lehetőségeket. A sikerhez azonban integrálni kell a biokémiai folyamatok és a környezettel való kölcsönhatásuk megértését (Snape, 1996). A géntechnológia az anyagcsere kulcsfontosságú vagy korlátozó lépéseként azonosított specifikus pontokon módosítja a rendszert. Azonban nem egy gén határozza meg a N-felhasználás hatékonyságát, a szemtermést vagy a szemminőséget, hanem számos olyan fehérjét kódoló gén, amelyek meghatározzák a különböző biokémiai és fiziológiai alrendszerek szerkezetét és viselkedését. Így valószínű (és ma már gyakran bizonyított), hogy a genom megváltoztatása nem eredményez jelentős változásokat az itt tárgyalt típusú alapvető anyagcserében (Paul és Lawlor, 2000). Emellett a környezeti körülményekre adott válasz összetett lehet, amely magában foglalja az említett G×C kölcsönhatásokat, ami a genomról a genomra a környezetben való koncepcióváltást igényli (Sheehy és mtsai., 2000). Ha ezt nem ismerik fel gyorsan, akkor a növényi biokémiai és élettani szakértelem jelenlegi, sok országban a molekuláris biológia javára történő elvesztése torzítani fogja a tudásbázist. Ez jelentősen gyengíteni fogja a termelés javításának alapvető problémájára irányuló klasszikusabb támadási módszereket, mivel lelassítja a jelenlegi műtrágyatechnológiai ismeretek alkalmazását. Gátolni fogja továbbá azon megközelítések további fejlesztését, amelyeknek nagyobb valószínűséggel lesz jelentős hatása az élelmiszerellátásra a következő fél évszázadban, amikor a kereslet a leggyorsabban fog növekedni. A molekuláris, biokémiai és fiziológiai információk kombinációjára van szükség a növénytermesztés javítási lehetőségeinek hatékony értékeléséhez.

Összefoglalva: a növénytermesztés teljes mértékben függ a N megfelelő mennyiségű, a növekedéshez megfelelő időben történő biztosításától. Ez a fehérjékre épülő metabolikus események következménye, a fényenergia a CO2 és

redukciójára, valamint a vegetatív és reproduktív növekedéshez és a termésképzéshez felhasznált asszimilátumok szintézisére fordított fényenergiával. A terméshozamhoz vezető számos folyamat közötti kapcsolatok azonban összetettek, és bár genetikailag meghatározottak, a környezet, különösen a N-ellátás jelentős befolyása alatt állnak. A növénytermesztést, a terméshozamot és a hatékonyságot meghatározó mechanizmusok megértése előrehaladott, de a mezőgazdaságban nem használják ki kellőképpen, bár vannak módszerek az információk alkalmazására. A biomassza növeléséhez szükséges növénytermesztési változtatások alacsony N-ellátottság mellett történnek: (a) a teljes N-akkumuláció növelése a hasznosított talaj térfogatának, a gyökérsűrűségnek és a gyökérfelület

iránti affinitásának növelésével. Ez fenntartja a növény jelenlegi C/N arányát; b) növeli az egységnyi N-re jutó C-asszimilációt, ami növeli a biomasszát és a C/N arányt. Alacsony N-felvétel és 3-nál kisebb LAI esetén a fényenergia nem lenne korlátozó az (a) vagy a (b) esetben; mindkét megközelítés alkalmazható. Bőséges N-ellátás és -felvétel esetén a lehetőségek a következők: (c) növelni az egységnyi N-re jutó C-asszimilációt, így növelve a biomasszát és a C/N-arányt, vagy (d) növelni az aktív komponensekben felhalmozott N-t, de fenntartani ugyanazt a C-asszimilációt, így növelni a biomasszát és fenntartani a C/N-arányt. Mindkettő feltételezi, hogy elegendő energia áll rendelkezésre, ami nagy LAI mellett nem valószínű, és hogy a CO2 nem lesz korlátozó tényező. Jelenleg ez a helyzet, és a légköri CO2 növekedési üteme valószínűleg nem lesz elég gyors vagy nagy ahhoz, hogy a termelést a megemelt CO2-értékek mellett elért genetikai potenciálhoz növelje. Ezért a növénytermesztés és a terméshozam genetikai potenciáljának növelésére lesz szükség, amikor a N-kínálat megfelel a keresletnek, de ennek módja nem világos. Az egységnyi N-re vagy fényre jutó fotoszintetikus hatékonyság növelése nem triviális feladat. A növénynemesítéssel elért fejlesztések során az alapanyagcserében bekövetkező változások nem ismertek, és nem mutathatják meg, hogy milyen korlátokat sikerült leküzdeni a genetikai terméspotenciál javítása érdekében. Ezek nagyrészt a szemnövekedési képesség növelését jelentették, miközben csökkentették a vegetatív növekedést és fenntartották a C- és N-anyagcsere képességét a szemek ellátására, valamint meghosszabbították a tenyészidőt. Az alapvető C- és N-anyagcsere javulása nem dokumentált. A növények

ellátottságára és hőmérsékletére adott válaszok metabolikus és fiziológiai aspektusainak elemzése a növények N-re adott válaszát meghatározó számos folyamat kölcsönhatását mutatja. Ezek az információk fontosak a növények N-felhasználásának javítását célzó módszerek fejlesztésének irányításához, a nemesítésben és a genetikai manipuláció lehetőségének értékeléséhez a N-felhasználás hatékonyságának és a genetikai terméspotenciál javítására. A genotípus-környezet kölcsönhatások értékelése alapvető fontosságú. Az elemzés azt sugallja, hogy a N-felvétel növelése a gyökérrendszerek és a

transzporterek affinitásának megváltoztatását igényli. A fotoszintézis N-felhasználásának megnövekedett hatékonysága a fotoszintetikus anyagcsere jelentős módosításait igényelné. A genetikai terméspotenciál javítása jelentős, hosszú távú feladat lesz, amelyet a jelenlegi géntechnológiával valószínűleg nem lehet elérni. A szelekciós nemesítés és a molekuláris módszerek kombinációja adhat módot a N-felhasználás hatékonyságának és genetikai potenciáljának javítására.

Köszönet

Köszönöm a különkiadás szerkesztőinek a meghívást és az elnézést a kézirat elkészítése során. Külön köszönet illeti továbbá minden meg nem nevezett, de nem elfeledett kollégámat, akik hosszú éveken keresztül hozzájárultak ehhez a munkához.