Dlaczego nasiona śpią?
Wydawałoby się, że każdy z nas wie jak kiełkują nasiona i jakie warunki muszą być spełnione dla prawidłowego przebiegu tego procesu. Ale czy tak jest rzeczywiście?
Rośliny produkują zwykle bardzo dużą ilość nasion, taka strategia umożliwia przetrwanie gatunku. Fantastyczną właściwością nasion jest ich zdolność do odwlekania momentu kiełkowania tak długo, jak długo utrzymują się niesprzyjające mu warunki środowiskowe, lub tak długo dopóki zarodek umieszczony wewnątrz nasiona nie będzie w pełni dojrzały i gotowy do wykształcenia rośliny zdolnej do wydania kolejnego pokolenia nasion.
Większość nasion charakteryzuje spoczynek. Jest to stan, w którym nasiona pomimo zapewnienia warunków sprzyjających kiełkowaniu, a więc dostępu wody i odpowiedniej temperatury nie kiełkują. Dzieje się tak z różnych powodów, wynikających z budowy nasion (obecności twardych i grubych okryw nasiennych), ich dojrzałości morfologicznej (niewielkich rozmiarów zarodka) lub dojrzałości fizjologicznej (np. nieodpowiedniej gospodarki hormonalnej).
Kwalifikowany znaczy pewny
Spoczynek nasion ma zarówno zalety, jak i wady. Z jednej strony umożliwia ich przechowywanie, z drugiej jednak stwarza rolnikom problemy w uzyskaniu równomiernych wschodów, a następnie wysokich plonów.
Regulacja ustępowania spoczynku i kiełkowania nasion to zagadnienie podejmowane przez laboratoria wielkich koncernów nasiennych. Łączy się bowiem z opracowywaniem metod pobudzania nasion i ich otoczkowania prowadzącymi do poprawiania jakości materiału siewnego.
Od lat trwają badania mające na celu wyjaśnienie mechanizmów ustępowania spoczynku nasion wielu gatunków roślin. Jednym z najczęściej stosowanych zabiegów jest poddanie nasion procesowi stratyfikacji, który polega na umieszczeniu ich w wilgotnym podłożu w odpowiedniej temperaturze, chodnej lub ciepłej, albo też naprzemiennie chłodnej i ciepłej – w zależności od rośliny.
Taka procedura prowadzi do ustępowania spoczynku w wyniku inicjacji procesów biochemicznych mających za zadanie pobudzanie zarodka i jest niezbędna do stymulacji kiełkowania nasion wielu roślin naszej strefy klimatycznej np. jabłoni.
Nie wszyscy wiedzą, że rośliny wydzielają cyjanowodór. Emisja tego trującego gazu jest charakterystyczna nie tylko dla roślin lub ich organów magazynujących związki cyjanogenne, takie jak amigdalina czy prunazyna, których smak i zapach znacie z gorzkich migdałów, pestek moreli, brzoskwiń, jabłek, gruszek, wiśni czy śliwek. Towarzyszy także takim procesom jak np. dojrzewanie owoców, kiedy dochodzi do wzmożonej produkcji etylenu – hormonu starzenia.
Postęp biologiczny w zbożach
Jednak co ma wspólnego cyjanowodór z nasionami? Otóż okazuje się, że całkiem sporo. Jest on wydzielany w czasie stratyfikacji nasion magazynujących związki cyjanogenne i prawdopodobnie decyduje o uruchomieniu kaskady zdarzeń prowadzącej do ustępowania spoczynku. Krótkotrwałe traktowanie nasion cyjanowodorem stymuluje ich kiełkowanie i zwiększa prawdopodobieństwo rozwoju dobrze wykształconych siewek.
Inny gaz, będący trucizną – tlenek azotu (NO) podawany krótkotrwale także prowadzi do ustępowania spoczynku nasion, a siewki wyrastające z takich nasion charakteryzują się prawidłową morfologią. Trudno w to uwierzyć, ale tlenek azotu jest konieczny do wzrostu korzenia, a także sprawia, że organ ten rośnie w dół, zgodnie z wektorem działania siły ciężkości. Obniżenie stężenia tego gazu przez podanie specyficznych substancji zwanych zmiataczami hamuje wzrost młodej rośliny.
Jakby tego było mało, okazało się że tlenek węgla, potocznie zwany czadem, może działać na nasiona bardzo korzystnie. Niekiełkujące, spoczynkowe nasiona, a zwłaszcza izolowane z nich zarodki po krótkotrwałym zaczadzeniu przenoszone na wilgotną bibułę kiełkują bardzo dobrze, nie wykazując żadnych symptomów spoczynku.
Można zadać sobie pytanie dlaczego substancje tak toksyczne dla organizmów zwierzęcych i dla człowieka wywołują pozytywne efekty w przypadku nasion? Dlaczego ich krótkotrwałe stosowanie prowadzi do ustępowania spoczynku i stymulacji kiełkowania nasion?
W polskim nasiennictwie i hodowli coraz gorzej
Toksyczność cyjanowodoru, tlenku azotu i tlenku węgla wynika z ich negatywnego wpływu na oddychanie mitochondrialne. Gazy te hamują aktywność oksydazy cytochromowej odpowiadającej za przekazywanie elektronów przez poszczególne przenośniki łańcucha oddechowego na tlen. W komórkach zwierzęcych brak aktywności oksydazy cytochromowej prowadzi do śmierci. Natomiast w komórkach roślinnych, które zaopatrzone są w dodatkowy enzym zwany alternatywną oksydazą, funkcjonowanie tej drogi oddechowej umożliwia przetrwanie.
W nasionach metabolizm oddechowy oraz degradacja lipidów (zgromadzonych jako substancje zapasowe) są głównymi źródłami reaktywnych form tlenu (ROS – ang. reactive oxygen species). Przyzwyczailiśmy się myśleć o reaktywnych formach tlenu jako cząsteczkach niebezpiecznych, odpowiadających za uszkodzenia składników komórek, będących głównymi zabójcami komórkowymi. Jednak coraz więcej jest danych wskazujących na pozytywną rolę reaktywnych form tlenu w procesach wzrostu i rozwoju roślin. Tak jest też w przypadku kiełkowania nasion.
Badania prowadzone w laboratoriach we Francji i w Polsce wykazały, że funkcję reaktywnych form tlenu w nasionach można opisać stosując tzw. model okna oksydacyjnego, wg którego istnieje pewne graniczne stężenie wymagane dla kiełkowania nasion, które nie powoduje uszkodzeń, lecz działa pobudzająco wyrywając nasiona z błogiego snu.
W cyklu prowadzonych w naszym laboratorium badań wykazaliśmy, że zarówno cyjanowodór, jak i tlenek azotu indukują ten krótkotrwały, ale konieczny dla kiełkowania nasion wyrzut reaktywnych form tlenu w kiełkującym zarodku. Jakby tego było mało, nagromadzające się rodniki wywołują istotne zmiany strukturalne białek, prawdopodobnie także tzw. kardynalnych dla procesu kiełkowania.
***
Dr Urszula Krasuska pracuje w Katedrze Fizjologii Roślin na Wydziale Rolnictwa i Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Od kilku lat zajmuje się mechanizmami regulacji ustępowania spoczynku i kiełkowania nasion. W centrum jej badań znajdują się drobnocząsteczkowe związki, takie jak cyjanowodór, tlenek azotu oraz reaktywne formy tlenu, jako cząsteczki sygnałowe odpowiadające za ustępowanie spoczynku nasion.
Jest wykonawcą w projekcie finansowanym przez NCN dotyczącym mechanizmów działania niebiałkowych aminokwasów. Oprócz tego prowadzi badania na temat roli, jaką mogą spełniać reaktywne formy azotu u roślin mięsożernych.
