A magnézium hiánya a növényeknek sem jó
A magnéziumhiány emberek esetében is gyakran jár kellemetlen tünetekkel, melyek közül a legismertebb talán a lábszárban jelentkező izomgörcs. Mindez összefügg azzal, hogy a magnézium elengedhetetlenül fontos több, mint háromszáz enzim működéséhez, melyek például az idegrendszer és az izmok megfelelő aktivitásáért, a fehérjék, a DNS és RNS szintéziséért, valamint a vércukorszint és vérnyomás szabályozásáért felelősek.
A magnézium a növényekben természetesen nem okoz lábikragörcsöt, de létfontosságú ásványi elem számukra is. Számos növényi fehérje, köztük a zöld színtestekben zajló fotoszintézis egyes enzimei is ezt az iont igénylik a működésükhöz, valamint a magnézium épül be a zöld színtestekben található növényi zöld színanyag, a klorofill vázába is, de fontos szerepet tulajdonítanak neki a fotoszintetikus membránok, az úgynevezett tilakoidok szerkezetének kialakításában is. A fentiek miatt nem meglepő, hogy a növények teljes magnézium tartalmának 15-35%-a a zöld színtestekben található.
Jelentősége ellenére relatíve keveset tudunk arról, hogy a magnéziumot hogyan veszik fel és szállítják a növények a szervezetükön és sejtjeiken belül. Pedig termesztett növényeink növekedése és egészséges fejlődése szempontjából is fontos megérteni azt, hogy a talajban a gyökerektől hogyan jut el egy-egy fontos ásványi anyag a felhasználási helyére, például a növényi színtestek belsejébe. Az ionok a sejteket határoló membránokon vagy a színtesteket határoló membránokon csak speciális ioncsatornák vagy szállítófehérjék (transzporterek) segítségével tudnak átjutni, azonban ezek többségét máig nem ismerjük. Cornelia Spetea vezetésével egy svéd, japán, magyar, dán és amerikai résztvevőkből álló kutatócsoport azt vizsgálta, hogy milyen módon jut be a magnézium a növények fotoszintézisért felelős zöld színtestjeibe.
Más genotípusú növények mellett jól látható az MGT10 transzporter kisebb mennyiségével rendelkező növények (azaz az mgt10 knock-down növények) feltűnő fenotípusa, a levélerek sárga elszíneződése. (Fotó: Emilija Dukic)
A Frontiers in Plant Science szaklapban nemrég megjelent munka során a lúdfű (Arabidopsis thaliana) nevű modellnövényben korábban azonosított három fehérje működését tanulmányozták, melyek két fehérjecsaládba tartoznak. Ezeket MGR8, MGR9 és MGT10-nek nevezik, mely rövidítésekben az MGR az angol magnesium release, azaz magnézium kibocsájtás szavakra utal, a 8 és 9, a két eltérő fehérjét elkülönítő sorszám, az MGT10 a magnézium transzporter szavakat takarja. Mindhárom vizsgált fehérje a színtestek burokmembránjában található és a magnézium plasztiszba szállításában van szerepük. Kimutatták róluk, hogy mindegyik eltérő módon, de fontos szerepet játszik a fotoszintézis bizonyos folyamatainak szabályozásában is. A munka során elsőként azonosították és jellemezték továbbá a Chlamydomonas reinhardtii nevű egysejtű zöldalga MRS4 nevű fehérjéjét is, mely a zöldalga színtestjének burokmembránjában hasonló funkciót lát el, mint a lúdfűben leírt MGT10 fehérje.
Az elemzések alapján úgy tűnik, hogy az MGT10 fehérje feltehetően egy magnézium ioncsatorna, míg az MGR8 és MGR9 olyan magnézium transzporterek, melyek működéséhez nátrium ionok jelenlétére is szükség lehet. Ez a jelenség több szempontból is érdekes: részben azért, mert a nátrium nem tartozik a növények számára esszenciális tápelemek közé, így a növényi sejten belüli szállítási mechanizmusairól keveset tudunk, másrészt pedig azért, mert a szikes vagy magas sótartalmú talajokon fejlődő növények esetében pont ennek az ionnak a jelenléte hat negatívan többek között a fotoszintézisre és a növényi színtestekre.
"A színtestek fotoszintetikus aktivitásának nyilvánvaló csökkenését figyeltük meg azokban a növényekben, amelyekből hiányzik ezen magnézium transzport fehérjék egyike vagy másika, ami aláhúzza ennek az elemnek a fontosságát a növényi anyagcserében" - foglalja össze a munka legfontosabb eredményeit Cornelia Spetea professzor, a kutatás vezetője a Göteborgi Egyetemről.
A MGT10 fehérjéből csak kisebb mennyiséggel rendelkező mutáns növények leveleinek levélerei sárgásfehér színűek (felső ábra), ami jelzi a zöld színtestek és a klorofill képződés zavarait ezekben a régiókban. Az elektronmikroszkópos felvétel (alsó kép) pedig azt ábrázolja, hogy sejtjeikben egyszerre lehetnek jelen normál zöld színtestek (alsó kép, fehér nyíl), és különleges, hatalmas gránummal és kevés más belső membránnal rendelkező színtestek (alsó kép, piros nyíl). Vonal: 1 mikrométer. (Az ábra - Dukic et al. 2023, az eredeti cikk alapján készült)
A zöld színtestek magnéziumfelvételének fontosságára, és ebben a MGT10 szerepére utal az is, hogy azok a mutáns növények (ún. knock-out mutánsok) nem életképesek, amelyekből ez a fehérje teljesen hiányzik. Az alapvetően zöld színű levélerek pedig sárgás színűvé válnak azokban az úgynevezett géncsendesített (knock-down) növényekben, amelyekben kisebb mennyiségben, de kifejeződik ez a gén, és így kisebb mennyiségben, de jelen van a fehérje. A kontroll növények zöld leveléhez képest a mutáns növényekben a levélerek kisárgulása arra utal, hogy ezekben a régiókban a klorofill képződése gátolt.
“Ezekben a növényekben a levélerek közelében található sejtekben különleges színtest szerveződés volt megfigyelhető. Akár egyazon sejten belül is előfordultak normális szerkezetű zöld színtestek, valamint olyanok, melyek belső membránrendszere szinte kizárólag hatalmas méretű gránumokból és kisebb membrán hólyagocskákból (vezikulumokból) állt” - magyarázza Solymosi Katalin, az ELTE adjunktusa, aki a színtestek szerkezetét elemezte a munka során. További vizsgálatokat igényel annak pontos megértése, hogy egyetlen sejten belül miért van jelen két eltérő szerveződésű színtest.
A levelek erezetének sárgás elszíneződése jellemző bizonyos vírusfertőzések, illetve más létfontosságú tápelemek (például vas) hiánya esetén is. A vizsgálatok arra utalnak, hogy hasonló tünetek a magnézium nem megfelelő sejten belüli szállítása esetén is megjelenhetnek, és jelzik azt is, hogy a vizsgált fehérjék jelenléte és megfelelő működése elengedhetetlenül szükséges a növények működése és így a mezőgazdaság számára.