Maksym Danchenko: Pred extrémnym počasím sa rastliny neukryjú, preto sa mu prispôsobia

Vedec predstavil spôsob, ako môžeme chrániť rastliny pred veľkým stresom.

Vedeli ste, že aj rastliny zažívajú stres rovnako ako človek? Vplyv stresu na rastliny skúma doktor Maksym Danchenko z Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV. Predtým sa osobitne venoval štúdiu stresových reakcií rastlín na vonkajšie faktory, predovšetkým ionizujúcemu žiareniu, znečistenému životnému prostrediu či vírusovým infekciám. Skúmal aj to, ako výbuch v Černobyľskej jadrovej elektrárni vyvolal na rastlinstve vznik viacerých bizarných mutácií. V súčasnosti sa zaoberá toxickým vplyvom rádionuklidov na oxidačné poškodenie rastlinných proteínov. V roku 2025 jeho tím dostal cenu Slovenskej akadémie vied za výsledky vedeckej práce.

Špecializované štruktúry na listoch ich chránia pred vysokými teplotami

Ako vo všeobecnosti stres ovplyvňuje rastliny?

Pre rastliny je stres prítomný všade, takmer každý moment ich života je ovplyvnený faktormi prostredia. O strese rastlín môžeme hovoriť vtedy, keď tieto faktory prostredia nie sú optimálne. Môže ísť o prebytok či nedostatok vody, prebytok či nedostatok slnka, o chlad, teplo, ale aj o škodcov. Rastlina je stále vystavená nepriaznivým faktorom prostredia.

Ktoré z týchto faktorov sú najnebezpečnejšie?

Ťažko povedať, pretože nemôžeme uvažovať o tom, že jeden faktor je nebezpečnejší než iný. Závisí to od intenzity a sily stresu. Napríklad ak prší týždeň či dokonca mesiac, stres sa prejavuje v závislosti od intenzity a dĺžky dažďa. Rovnaký vplyv má aj mráz – či prichádza postupne alebo naraz.

Akým spôsobom výrazne premenlivé počasie ovplyvňuje stres rastlín?

Výkyvy počasia sú nebezpečné, no rastliny sú adaptované na rôzne nepriaznivé podmienky. Ak živočíchom prekáža napríklad príliš teplé prostredie, ukryjú sa do chladnejšieho prostredia. Rastlina takýto luxus nemá, musí zostať v tom istom prostredí, preto má vnútorné mechanizmy, ktorými sa prispôsobuje podmienkam.

Ako sa rastliny prispôsobujú nepriaznivým podmienkam?

Rastliny majú presne prispôsobené listy či ďalšie orgány tak, aby mohli čo najlepšie reagovať na výkyvy počasia. Napríklad pri suchu využívajú prieduchy na listoch, ktorými prijímajú oxid uhličitý a popri tom vypúšťajú vodu. Tieto orgány sa pri nedostatku vody dokážu zatvoriť, čím obmedzia stratu vody. Rovnako určité druhy rastlín majú na listoch špecializované štruktúry, ako napríklad kutikuly, ktoré dokážu chrániť rastlinu pred nadmerným slnečným žiarením a vysokými teplotami.

Rastliny vystavíme stresu zámerne, aby boli odolnejšie

Čo sa deje s rastlinami v prípade dlhodobého stresu?

V rastline dochádza k biochemickým zmenám, neskôr syntetizujú proteíny a metabolity, ktoré zabezpečujú odolnosť rastliny proti stresu. Aj náš výskum sa zaoberá zmenami na proteínovej úrovni. Ide o molekuly, ktoré definujú vlastnosti bunky.

Akým spôsobom syntetizované proteíny a metabolity zabezpečujú odolnosť rastliny proti stresu?

Dôležitý je napríklad metabolit prolín, aminokyselina hromadiaca sa počas vysokej prítomnosti soli. Pri vysokej hladine soli v rastline má voda vysokú osmotickú silu, pre zvýšenú koncentráciu rozpustných iónov, a voda tečie z prostredia s nízkou osmotickou silou do prostredia s vysokou osmotickou silou. Rastliny na to odpovedajú tým, že hromadia metabolity, ako je prolín a rozpustné cukry, ktoré pri vysokej koncentrácii vytvárajú roztok s vysokou osmotickou silou, vďaka čomu stále môžu odoberať vodu z pôdy.

Rastliny majú presne prispôsobené listy či ďalšie orgány tak, aby mohli čo najlepšie reagovať na výkyvy počasia. Napríklad pri suchu využívajú prieduchy na listoch, ktorými prijímajú oxid uhličitý a popri tom vypúšťajú vodu. Tieto orgány sa pri nedostatku vody dokážu zatvoriť, čím obmedzia stratu vody.

Relatívne univerzálnou reakciou rastlín na rôzne stresy je tvorba reaktívnych foriem kyslíka. Za normálnych podmienok ide o veľmi dôležité molekuly, ktoré zabezpečujú komunikáciu buniek a tkanív rastliny. Pri stresových podmienkach sa ich však tvorí priveľa, takže sú toxické. Rastlina pomocou proteínov a enzýmov tieto toxické molekuly rozkladá.

Ako môžeme pomôcť rastlinám, ktoré sú pod stresom?

Presne preto skúmame obranné reakcie rastlín, aby sme mohli vytvárať rôzne stratégie pomoci pri ich strese. Existuje spôsob zvaný priming, počas ktorého rastliny zámerne vystavíme nižšiemu stresu, čo pravdepodobne zvýši ich odolnosť pri vyššom strese. Tento spôsob môžeme aplikovať už na semená rastlín, aby sme zvýšili ochranu proti škodcom. Postriekame ich špeciálnym metabolitom, kyselinou jasmónovou, ktorá reguluje odpoveď na škodcov. Ak by ich napadli škodce, dokážu rýchlejšie syntetizovať kyselinu jasmónovú spôsobujúcu tvorbu ďalších obranných proteínov, ktoré umožnia spomaliť inváziu škodcov. Tento priming môžeme vykonávať na semenách ešte pred tým, ako ich zasadíme do pôdy.

Zvyšujú pesticídy stres rastlín?

V modernom poľnohospodárstve dosť často používame pesticídy, teda toxické látky na zničenie škodcov či burín. Samozrejme, tieto látky sa stále vyvíjajú a zlepšuje sa aj ich zloženie. Výrobcovia sa už snažia o to, aby mali pesticídy selektívny vplyv, teda aby si vedeli poradiť so škodcami, ale zároveň neboli toxické pre rastlinu, iné dôležité mikroorganizmy či človeka.

Preto nemôžem povedať, že pesticídy sú pre rastliny jednoznačne nebezpečné. Možno pred päťdesiatimi rokmi sme používali veľmi ničivé pesticídy, teraz ich už vieme zacieliť na konkrétny problém. Ja osobne však nie som veľkým podporovateľom používania pesticídov, skôr si myslím, že namiesto pesticídov by sme mohli skúsiť využívať iné, menej škodlivé možnosti.

Majú rastliny stres porovnateľný so stresom, ktorý pociťuje človek?

Do určitej miery áno. Ľudia stres vnímajú najmä psychologicky, čo pri rastlinách neplatí. Aj tie však na stres dokážu zareagovať podobne ako človek. Nejde o markantné rozdiely. Napríklad keď v práci všetko funguje, ale odrazu je vedenie nespokojné s naším výkonom, sme vystavení akútnemu stresu. Pri menších problémoch, ktoré pretrvávajú dlhodobo, stres až tak veľmi nevnímame.

Ak je intenzita stresového vplyvu nízka a trvá kratšie, neuvidíme žiadne markantné rozdiely. Pokiaľ však stres trvá dlhodobejšie, má oveľa závažnejšie dôsledky.

To isté platí aj pri rastlinách. Môžu zažívať akútny, oveľa silnejší stres a jemný, dlhodobý stres. Napríklad pri výskume ionizujúceho žiarenia študujeme vplyvy akútneho, ale aj chronického stresu na rastliny. Ak je intenzita stresového vplyvu nízka a trvá kratšie, neuvidíme žiadne markantné rozdiely. Pokiaľ však stres trvá dlhodobejšie, má oveľa závažnejšie dôsledky.

Ďalšie generácie môžu byť oveľa odolnejšie

Skúmali ste adaptáciu dvoch typov rastlín arábkovky Thalovej na stres spôsobený kadmiom z okolia mesta Kyjev a v Černobyli – bezprostredne po Černobyľskej havárii a po niekoľkých rokoch. Aké zmeny ste pozorovali na rastlinách v prvých rokoch po katastrofe a v čom sa najviac líšili rastliny z tých čias od súčasných rastlín?

Bezprostredne po Černobyľskej havárii bolo prostredie vystavené akútnemu a intenzívnemu stresu. Výskum počas prvej dekády po havárii poznám len od pracovne skúsenejších kolegov. Rastliny nachádzajúce sa v okolí Černobyľa sú roky vystavené chronickému stresu. Ten môže mať oveľa závažnejšie dôsledky než akútny stres, keď dávka žiarenia je rovnaká. Nemôžem však jednoznačne povedať, či je nebezpečnejší chronický alebo akútny stres.

Chronický ťažšie rozpoznáme, pričom stresové vplyvy spôsobené chronickým stresom sa prenášajú aj na nasledujúce generácie rastlín. Zatiaľ však nevieme, či ide o pozitívny alebo o negatívny vplyv, pretože v praxi môže nastať spomínaný priming. Ak je rastlina vystavená stresu, je oveľa odolnejšia. To platí aj pri nasledujúcich generáciách. Ak bola rastlina počas života vystavená priveľkému ionizačnému žiareniu, nasledujúce generácie môžu byť proti nemu oveľa rezistentnejšie.

Ktorý stres zvláda rastlina lepšie – akútny či chronický?

Pri akútnom strese, napríklad keď prídu nečakane silné mrazy na jar, sú ovocné stromy v strese a neprinášajú úrodu. Ak však nemáme silné mrazy, pričom počasie stále nebolo ideálne na vývin kvetov, pôjde o podobný dôsledok, čiže plodiny sa nevyvinú. Preto nemôžeme tvrdiť, že chronický stres je pre rastlinu nebezpečnejší ako akútny a naopak.

Ako vplývajú na rastliny veľmi teplé zimy a studené či príliš daždivé letá?

Rastliny žijúce v konkrétnych klimatických oblastiach sú týmto výkyvom počasia prispôsobené. Očakávajú, že zima bude chladná a leto teplé. Pri dlhodobých zmenách klímy sa rastlinné spoločenstvo úplne zmení. V našich zemepisných šírkach sa objavujú teplomilnejšie druhy rastlín z iných klimatických oblastí. Tieto druhy postupne vytláčajú pôvodné druhy rastlín. Môžeme to pozorovať na ovocí či zelenine, dnes sa u nás už bežne pestujú napríklad figy.

Pri dlhodobých zmenách klímy sa rastlinné spoločenstvo úplne zmení. V našich zemepisných šírkach sa objavujú teplomilnejšie druhy rastlín z iných klimatických oblastí. Tieto druhy postupne vytláčajú pôvodné druhy rastlín.

Budú sa u nás časom pestovať aj tropické plodiny, ako napríklad citrusy?

Áno, prispievajú k tomu aj vedecké poznatky, keďže sa vytvárajú oveľa odolnejšie genotypy plodín. Najväčším problémom tropických plodín je to, že nie sú prispôsobené zime. Prídu mrazy, pre ktoré uhynú. Vďaka výskumu vplyvu mrazu na rastliny dokážeme lepšie pochopiť, ako si rastliny poradia s takýmito podmienkami, a vieme tak vytvoriť odolnejšie plodiny.

Akým spôsobom ich pozmeníte, aby sa dokázali prispôsobiť daným podmienkam?

Historicky odolnejšie rastliny sa počas nepriaznivejšieho počasia prispôsobovali daným podmienkam. Napríklad z desiatich rastlín počas veľkého sucha uhynula polovica. Tie, ktoré prežili, vedci a farmári ďalej krížili medzi sebou. Vyselektovali sme teda rastliny, ktoré prežili, čím vznikli rezistentnejšie odrody. V súčasnosti oveľa viac rozumieme mechanizmom zodpovedným za odolnosť proti určitým typom stresu, ktoré vznikajú napríklad pri syntéze nejakého proteínu. Vďaka novodobým technológiám môžeme vytvoriť genotyp s vyšším množstvom potrebného proteínu, aby boli odolnejšie proti konkrétnemu typu stresu.

Čo je to za proteín?

Takýchto proteínov sú tisícky. Neexistuje proteín, ktorý spôsobí skvelú odolnosť rastliny proti hocijakému stresu, ide skôr o komplex viacerých proteínov. Existuje však konkrétny proteín, ktorý dokáže rozpoznať konkrétne mikróby, a keď zmeníme jeho vlastnosti, rastlina je menej náchylná na ochorenia. Toto však funguje len do určitej miery, pretože po čase sa mikróby prispôsobia novému proteínu, ktorý bráni ich invázii. Dokážu teda prežiť aj pri zmutovanom proteíne.

Ako vplýva stres na rast rastlín či ďalšie rozmnožovanie?

Keď sú rastliny vystavené nepriaznivým podmienkam a musia na ne reagovať, má to svoje riziko. Ak musia syntetizovať obranné proteíny či metabolity, pravdepodobne budú pomalšie rásť, a tým sa zníži aj úroda. Napríklad vysokohorské rastliny čeliace extrémnym podmienkam sú obyčajne nízke a rozmnožujú sa pomaly. Zároveň vyšľachtené plodiny sú oveľa náchylnejšie na stres. Vyššia úroda zvyšuje riziko väčšej náchylnosti na nepriaznivé podmienky.

Ako vplýva stres rastlín na kvalitu potravín?

Kvalita potravín môže klesať, keď plodiny musia prežiť stresové podmienky. Napríklad naša štúdia odolných a náchylných odrôd pšenice na jednej strane ukázala, že stredne intenzívne suché podmienky počas kvitnutia zvyšujú pomer proteínov v zrne, čo je paradoxne pozitívne pre kvalitu potravín.

No keď sme preskúmali zloženie týchto proteínov, ukázalo sa, že náchylná odroda mala zvýšené množstvo proteínov, ktoré sú rizikové pre zdravé odrody, čiže môžu spôsobovať alergie, ako napríklad astmu alebo autoimunitné ochorenia u citlivých ľudí, najmä celiakiu.

(RR)