A permetezéses technológiák évtizedek óta meghatározó szerepet játszanak a mezőgazdaságban, legyen szó tápanyagpótlásról vagy növényvédelemről. Azonban máig nem egyértelmű, hogy a kijuttatott anyagok pontosan milyen mechanizmusok által, milyen hatékonysággal és mértékben szívódnak fel a növényekben. Ráadásul a tudományos kutatások eredményei nem mindig épülnek be a gyakorlatba, ami az alkalmazott technológiák optimalizálását is hátráltatja.
A permetezéses eljárások hatékonysága nagymértékben függ az aktuális környezeti paraméterektől, mint például a páratartalom, a hőmérséklet vagy a csapadékviszonyok. Ezek hiányos dokumentálása miatt a kísérletek eredményei gyakran nagy variabilitást mutatnak, reprodukálhatóságuk korlátozott, ami megnehezíti a megbízható következtetések levonását. A permetezés ezért gyakran a „spray and pray” (permetezz és imádkozz) elven alapul. Ez a megközelítés azonban egyre kevésbé költséghatékony, miközben a fenntarthatósági szempontokkal is szembemegy. A precíziós technológiák egyre fejlettebb megoldásokat kínálnak a hatékonyság növelésére, de nem szabad figyelmen kívül hagyni a biológiai lehetőségeket sem. A növények anyagfelvételének természetes mechanizmusai, a mikrobiom szerepe, valamint a sejtszintű folyamatok pontosabb megismerése hozzájárulhat a permetezések hatékonyságának fokozásához. A jövő a permetezéses eljárások és a biológiai megközelítések integrálásában rejlik, a tudományos eredmények gyakorlati alkalmazásával. Ehhez szeretnénk hozzájárulni az alábbi írással.
Egy kis tudománytörténet
Talán meglepő, de a hajtáson keresztüli víz- és tápanyagfelvétel kutatása több évszázados múltra tekint vissza. Már a 17. században Mariotte francia fizikus és növényfiziológus felismerte, hogy a növények a leveleiken keresztül is képesek vizet felvenni. A 18-19. században tovább bővült a tudás az ásványi elemek levélen keresztüli felvételéről, valamint a kutikula szerkezetéről és szerepéről. A 20. század elején festékkísérletekkel vizsgálták a sztómák és a kutikula szerepét a vízmozgásban, majd a permetezés hatékonyságának növelése érdekében pl. felületaktív anyagok használata mellett tanulmányozták az olajok és tápelemek levélen keresztüli bejutását. A 20. század közepére a sztómákat tartották a fő bejutási útnak, ám a 70-es évektől kezdve a kutikuláris útvonal lehetséges szerepe is felértékelődött, megkülönböztetve a lipofil és hidrofil útvonalakat. Az ezredforduló után a sztómák és a kutikula szerepét illetően továbbra is maradtak nyitott kérdések, de vélhetően mindkét útvonalnak szerepe van a tápanyagfelvételben, ezzel is bizonyítva a növények maximális rugalmasságát a környezeti tényezőkhöz való alkalmazkodásban.
A növények levelei rendkívül összetett szerkezettel rendelkeznek, amely lehetővé teszi számukra, hogy hatékonyan védekezzenek a külső környezeti hatásokkal szemben, miközben a gázcsere és a transzspiráció mellett biztosítják a szükséges tápanyag- és vízfelvételt. A levélfelszín fizikai, kémiai és biológiai jellemzői és anyagcserefolyamatai mind kulcsszerepet játszanak a növények túlélésében.
A sztómák szerepe
A levelek felszínén található sztómák (gázcserenyílások) elsődleges szerepe a szén-dioxid beáramlásának és a vízpára távozásának biztosítása. Ezek a pórusok rendkívül összetett szabályozási rendszeren alapulva nyílnak és záródnak, alkalmazkodva a környezeti feltételekhez, amelyet a növény a receptoraival folyamatosan monitoroz (páratartalom, hőmérséklet, fény, a növény vízigénye, a talaj víztartalma stb.). A jelenlegi kísérleti eredmények arra utalnak, hogy vízcseppek bejutása nem lehetséges a sztómákon keresztül a levél belső tereibe, mivel azok speciális geometriája és a vízcsepp és a levélfelszín között kialakuló felületifeszültség-viszonyok azt megakadályozzák. A nyitott gázcserenyílások belső felszínén a folyamatos magasabb páratartalom miatt azonban mégis kialakulhat egy folyamatos vízréteg (film), amelyben vízben oldható anyagok képesek bejutni a levél belsejébe.
A kutikula szerepe
A kutikula egy bonyolult szerkezetű és összetételű réteg, amely a levél és egyéb növényi szervek felszínét borítja. Legfontosabb szerepe, hogy megakadályozza a víz túlzott párolgását és így a kiszáradást, a víz korlátlan bejutását (ami a tápanyagok kimosódását okozná), ugyanakkor védelmet nyújt az abiotikus (pl. szárazság, UV-sugárzás) és biotikus (pl. kórokozók, rovarok) stresszekkel szemben.
A kutikula ezenkívül szerepet játszik a vízfelvétel szabályozásában is, mivel különböző szerkezeti és kémiai jellemzői befolyásolják, hogy mennyi víz képes bejutni a növénybe. Fő összetevője a kutin, amely egy hálózatos szerkezetű molekula, hosszú szénláncú zsírsavak és alkoholok észtereiből áll. A kutikula alsó, a sejtekhez közelebbi rétege a kutin mellett még sok poliszaharidot, pl. pektint is tartalmaz, míg külső része kutinrácsba beágyazott viaszt foglal magában. A kutikula felszínét pedig az epikutikuláris viaszréteg borítja, amely hosszú szénláncú zsírsavszármazékok elegye.
A kémiai összetételből adódóan tehát a kutikula nem egységes, belső részei hidrofílebbek, külső része inkább hidrofób, leginkább a viaszrétegnek köszönhetően. A tápanyagok kutikulán keresztül történő bejutását illetően megkülönböztethetünk egy hidrofób és egy hidrofil útvonalat. A zsíroldékony anyagok gyorsabban átjutva a viaszon a belső viaszcseppeken át vándorolva érik el a sejteket, míg a vízoldékonyak nehezebben jutnak át a viaszon (mivel nem teljesen egységes a viaszréteg sem, mindig találhatóak rajta hidrofóbabb részek), majd utána a belső régiókban gyorsítanak. A víz és a benne oldott anyagok felvételét elősegíti, ha magas a páratartalom, vagy víz borítja a levelet, amely esetben egy folyamatos vízoszlop tud kialakulni a kutikula keresztmetszetében, egyfajta bejutási csatornát biztosítva.
Fontos felismerés volt, amikor bizonyították, hogy a növények felszínén található ún. epifiton mikroorganizmusok, például baktériumok és gombák, speciális enzimeikkel képesek elbontani a viaszt, így megnyitva az utat a víz- és a hidrofilmolekulák levélbe jutása előtt. A levelek felszíni sajátosságai A legfontosabb fizikai jellemző, ami befolyásolja a kutikulán való átjutást, a levélre kerülő vízcsepp felületi feszültségének modulálása, azaz a nedvesítőképesség.
Ezt a felszíni kutikula fizikai jellemzői, szerkezete, felszíni topográfiája és kémiai összetétele állítja be, az ökológiai igényeknek megfelelően. Szárazságban pl. jó lehet, ha lecsapódik a levélre a hajnali pára, és fel tudja venni, de ezzel a vízvesztés lehetősége is nagyobb. Ellenben, ha nem tud benedvesedni a levél felszíne, a víz lecsöpöghet, és a talajból majd a gyökér veheti fel, ha ezt a környezeti feltételek lehetővé teszik. A levélfelszín szerkezete és a levélszőrök szintén erősen befolyásolják a vízcseppek felszínhez tapadási képességét, gondoljunk csak pl. az őszibarackra, ahol a szőrök másik lényeges szerepe a kórokozók távoltartása.
Extrém vízlepergető hatással bírnak az indiai lótusz levelei. A levelek felszínének mikroszkopikus papillákból és nanoméretű viaszklaszterekből álló szerkezete megakadályozza, hogy a vízcsepp behatoljon, sőt elősegítik annak lepergését a felszínről, amelynek során azok összeszedik a hidrofób szennyeződéseket, és egyfajta öntisztuló hatáshoz vezetnek.
A levélszőrök (trichomák) szerepe
A legújabb eredmények ráirányították a figyelmet a levélszőrök szerepére, amelyek esetén megállapították, hogy a kutikulájuk szerkezete nagymértékben eltér a környező sejtekétől. Magasabb bennük ugyanis a pektintartalom, amely hidrofilebbé teszi ezeket, és így alkalmasabbá válnak a víz és vízoldékony anyagok felvételére. Sőt, a legújabb modellek még tovább mennek, és a trichomák speciális felvételi szerepét hangsúlyozzák. Ezt az a tény is erősíti, hogy egyes eredmények alapján a mikrobiom is eltér a levélszőrök felszínén a környező szövethez képest, és a trichomák mikrobiomja olyan felületaktív anyagokat termel, amelyek fokozhatják azok áteresztőképességét.
Mit hozhat a jövő?
A jövőbeli fejlesztési irányok a növények vízfelvételével és védekezési mechanizmusaival kapcsolatban számos izgalmas lehetőséget kínálnak. Az időjárásnak és a növénytáplálási terveknek megfelelő fajtaválasztás kulcsfontosságú lehet a különböző környezeti feltételekhez való optimális alkalmazkodás érdekében, lehetővé téve a fenntarthatóbb termelést. A kutikula- és trichómaalapú funkcionális fajtanemesítés is ígéretes megoldás lehet, mivel e tulajdonságok módosítása segíthet a vízlepergetés, a víz- és tápanyagfelvétel, illetve a növényvédő szerek bejutásának javításában, különösen szárazabb vagy kedvezőtlen környezetekben. Végül, a kutikulabontó mikroorganizmusok alkalmazása új lehetőséget adhat a növények víz- és ionfelvételének növelésére, mivel ezek a mikroorganizmusok képesek csökkenteni a kutikula vastagságát, elősegítve a víz bejutását, miközben védelmet nyújtanak a növényi kórokozókkal szemben is. A tudományos eredmények gyakorlatba illesztése remélhetőleg elősegíti a levéltrágyák hatékonyabb, célirányos és szükséges mértékű alkalmazási technológiáinak fejlesztését.
Dr. Parádi István adjunktus
ELTE TTK
ügyvezető, ExperiPlant Kft.
