Növényi stresszmemória molekuláris genetikai mechanizmusainak vizsgálata

Abstract

A globális klímaváltozás okozta környezeti anomáliák, különösen a súlyosbodó aszályos időszakok, egyre komolyabb kihívás elé állítják a modern mezőgazdasági termelést. A kultúrnövények stressz-alkalmazkodási mechanizmusainak és epigenetikai alapú memóriafolyamatainak mélyebb megismerése elengedhetetlen a hatékony klímaadaptációs stratégiák kidolgozásához. Jelen értekezés központi célja a paradicsom rövid távú transzkripciós memóriájának, valamint asszociatív tanulási és emlékezeti képességeinek feltárása volt abiotikus stresszhatások, specifikusan a mechanikai vibrációt jelentő ultrahang-kezelés és az ozmotikus stresszt kiváltó szárazság hatására. A kutatás során alkalmazott vizsgálatok egyértelműen igazolták a növények specifikus ingerfelismerési képességét, bizonyítva, hogy az ultrahangos ingerlés és a szárazságstressz jól elkülöníthető, specifikus válaszreakciókat indukálnak, ami mind mRNS-szekvenálással, mind a teljes genom biszulfit szekvenálással alátámasztásra került. Sikerült azonosítani és jellemezni a rövid távú transzkripciós memória dinamikáját. Megállapítást nyert, hogy az ismételt ingerekre adott növényi válaszreakciókat többek közt a habituáció (hozzászokás) és a szenzitizáció (fokozott érzékenység) jelenségei szabályozhatják. Az értekezés legjelentősebb tudományos újdonsága a paradicsom növények asszociatív memóriaképzésének és klasszikus kondicionálhatóságának kísérletes bizonyítása. Az eredmények igazolták, hogy egy korábban semleges környezeti inger képes volt prediktív módon összekapcsolódni a feltétlen stresszorral, és a kondicionálást követően önmagában is kiváltotta a specifikus transzkripciós válaszreakciót. Ez a felfedezés egyértelműen bizonyítja a növények idegrendszer nélküli, komplex adaptív tanulási képességek meglétét. Az elért eredmények kiemelkedő elméleti és gyakorlati jelentőséggel bírnak, mivel szilárd tudományos alapot biztosítanak az innovatív, fenntartható és vegyszermentes növényvédelmi technológiák fejlesztéséhez. Environmental anomalies caused by global climate change, particularly intensifying periods of drought, pose increasingly severe challenges to modern agricultural production. A deeper understanding of the stress adaptation mechanisms and epigenetic-based memory processes of crop plants is essential for developing effective climate adaptation strategies. The primary objective of this dissertation was to explore the short-term transcriptional memory, as well as the associative learning and memory-forming capabilities of tomato plants in the context of abiotic stress stimuli, specifically focusing on mechanical vibration via ultrasound treatment and osmotic stress induced by drought. Analyses conducted during the research clearly verified the plants' specific stimulus recognition capacity, proving that ultrasound stimulation and drought stress induce well-distinguished, specific responses, supported by both mRNA-seq and WGBS (Whole Genome Bisulfite Sequencing) level analyses. The dynamics of short-term transcriptional memory were successfully identified and characterized. It was established that plant responses to repeated stimuli may be regulated, among others, by the phenomena of habituation and sensitization. The most significant scientific novelty of this thesis is the experimental demonstration of associative memory formation and classical conditioning in tomato plants. The findings confirmed that a previously neutral environmental stimulus could predictively associate with the unconditional stressor and, following conditioning, independently trigger the specific transcriptional defense response. This discovery unequivocally demonstrates the existence of complex adaptive learning capabilities in plants in the absence of a central nervous system. The results obtained possess outstanding theoretical and practical significance, as they provide a solid scientific foundation for the development of innovative, sustainable, and chemical-free plant protection technologies.