Géntechnológiával az egészséges növényekért: rezisztencianemesítés a genomika eszközeivel

Dudits Dénes
Hétköznapi géntechnológia, 2013-02-12 22:40:06

Összefoglalás

A növényorvoslás tudománya számos területen támaszkodik a géntechnológia nyújtotta metodikai háttérre, amely lehetővé teszi, hogy egyre bővüljön a növény–patogén kölcsönhatással kapcsolatos ismeretek köre. Ezzel összhangban a rezisztencianemesítés eszköztára is alapjaiban megváltozik azzal, hogy a genomikai megközelítések a fajta-előállító munka integráns részévé válnak. Jelen irodalmi áttekintés a napjainkban általánosan elfogadott modell bemutatásával ismerteti a védekezési mechanizmusok legfontosabb molekuláris folyamatait. A genom szekvenálási programok felgyorsítják mind a kórokozó, mind a gazdanövény génállományának megismerését. A funkcionális genomika segítségével új lehetőségek nyílnak a gén és a fenotípus közötti kapcsolat feltárására. A szekvenciainformációk alapján történő génizolálás kiegészül a transzgenikus szervezetek előállításával, elsősorban új, rezisztenciával rendelkező genotípusok létrehozása érdekében.

Az irodalmi áttekintés számos sikeres példát bemutat arra, miként lehet vírus-, baktérium- és gombarezisztens GM növényeket kifejleszteni. A rovar- és gyomirtószer rezisztens GM növények termesztése világszerte jelentős területeken folyik. Az eddig kimutatott gazdasági és környezetvédelmi haszon ellenére ma már nyilvánvaló, hogy ezeket a növényeket egy integrált növényvédelmi rendszerbe kell beilleszteni, amely megakadályozza a rezisztens rovarok és gyomok populációinak kialakulását. A GM szervezetek mezőgazdasági felhasználásának tiltása Magyarországon kizárja a magyar gazdatársadalmat abból, hogy a burgonyavész, a kukoricabogár vagy az aszálytűrő tenyészanyagok gazdasági és környezetvédelmi előnyeit kihasználhassa az után, hogy az Európai Unió engedélyezi az ilyen növények termesztését.

Kulcsszavak: növény-patogén kölcsönhatás, genomszekvenálás, funkcionális genomika, vírusrezisztencia, baktériumrezisztencia, gombarezisztencia, rovar- és gyomirtószer-rezisztencia


Bevezetés

A növényvédelem, a növényorvoslás, mint tudomány fejlődését számos szakterület ismereteinek befogadó integrációja szolgálhatja. Az agrártudományok ezen a területen intenzíven érintkeznek a biológiai, a kémiai, a környezettudományi, a műszaki vagy akár az egészségügyi kutatások megközelítéseivel és tudásbázisával. A fenntartható fejlődés követelményeinek teljesítése, az élelmiszer szükséglet növekedése a növények termésbiztonságának fokozását kiemelt célként jeleníti meg. A betakarítható termés mennyiségét és minőségi jellemzőit jelentősen behatárolhatja a kórokozók által okozott károk mértéke. A hazai búzatermesztők tapasztalata szerint, védekezés nélkül a lisztharmat 20-30%-os, a rozsdabetegségek akár 50-60%-os termésveszteséget okozhatnak. A foltbetegségeknél (pirenofóra és szeptória) valamint a fuzáriózisnál a csökkenés mértéke 10-30% közötti is lehet. Burgonyánál a Fusarium oxysporun form. spec. Solani okozta szárazkorhadás hatására a termésveszteség akár 70%-os mértéket is elérheti, ami természetesen függ a vetésváltástól, a termesztési és a tárolási technológiától. Az idézett példák megerősítik a károk visszaszorításának kiemelt jelentőségét. Ennek megfelelően a kémiai növényvédelem meghatározó szereplő napjaink növénytermesztési gyakorlatában (Popp et al., 2013). A KSH adatai szerint 2010. évben több mint 20 ezer tonna növényvédő szer került értékesítésre Magyarországon. Vitán felül áll, hogy a felhasználás mérséklése mind az önköltség csökkentése, mind a környezet és az egészség védelme érdekében indokolt.

A vegyszeres növényvédelem szerepének átértékelődésével együtt szükség van alternatív megoldások előtérbe helyezésére. Bár a vegyszermentes növénytermesztéssel kapcsolatban számos divatos biogazdálkodási javaslattal találkozhatunk, azonban tudományosan is hiteles, eredményt garantáló megoldás a genetikusan rezisztens fajták használata lehet. Az ellenállóság képességét biztosító génösszetétel kialakítása a rezisztencianemesítés során történik. Hagyományosan e tevékenység sikereit sokban segítették a növényélettani, a biokémiai illetve a genetikai kutatások eredményei. Nincs ez másként napjainkban sem, amikor a genom programoknak köszönhetően mind a gazdanövények mind a kártevők teljes DNS információ tartalmát megismerhetjük, soha nem látott előrehaladás tanúi lehetünk a növény-korokozó kapcsolat molekuláris hátterének feltárásában. Biztonsággal térképezhetők, és izolálhatók rezisztenciagének, amelyek hatásait génbeépítést követően az ún. transzformáns növényekben (GMO-kban) lehet tanulmányozni. A géntechnológiával történő rezisztencianemesítés első eredményei már a szántóföldön is beigazolódtak. A 160 millió hektáron termesztett GM növények elsősorban a növényvédelemmel kapcsolatos tulajdonságaik révén jelentenek előnyt a gazda számára, hiszen csökkenthetik a növénynevelés önköltségét. Nem elhanyagolható a GM fajták termesztéséből származó kisebb széndioxid kibocsátás vagy a vegyszerfelhasználás mérséklődése. Senkit ne tévesszenek meg a GM növények körül rendszeresen fellángoló politikai, ideológiai viták, amelyeket a média félretájékoztató hírei csak fokoznak. Nincs hiány szenzációs közleményekben, amelyek a GM növények okozta egészségkárosítást igyekeznek igazolni erősen kritizált állatkísérletekkel.Talán érdemesebb a Nobel-díjas Werner Alber alábbi két megállapítását elfogadni, amelyeket 2012-ben, a Pápai Akadémia elnökeként mondott:

„A transzgenikus szervezetek előállítására legújabban kidolgozott módszerek megfelelnek a biológiai evolúció természeti törvényeinek és nem hordoznak olyan kockázatot, ami magából a génsebészeti módszerek alkalmazásából következne”, továbbá:

„A genomika, proteomika és a metabolomika legújabb eredményeinek köszönhetően lehetővé vált a biológiai evolúcióval harmóniában új gazdasági növények előállítása abból a célból, hogy jobban ki lehessen elégíteni az egészséges élelmiszerek iránti igényünket, mint hozzájárulást az egészségügy terén szükséges haladáshoz”

A fenti két idézet szellemével összhangban a jelen tanulmány kísérletet tesz arra, hogy néhány önkényesen kiválasztott példával érzékeltesse a géntechnológia szerepvállalásának jelentőségét egy új növénypatológiai szemlélet formálódásában.

A növény-kórokozó kapcsolat molekuláris háttere

A sikeres rezisztencianemesítés koncepcionális hátterét egbízhatóan a legújabb növény-patogén kölcsönhatási modellekre építhetjük. A legfontosabb komponenseket az 1. ábra mutatja be. A bakteriális és gombás megbetegedések folyamatai hasonlóságokat és különbözőségeket egyaránt mutatnak. A kórokozó baktériumok a növényi sejtek közötti állományban szaporodnak, míg a gombák hifa fonalakkal hálózzák be a gazdanövény szöveteit és egy specializált tápanyagfelvételt végző struktúra, a hausztórium áthatol a sejtfalon anélkül, hogy a sejtmembránt megszakítaná. Ez az inváziós esemény például a lisztharmat fertőzéskor feltételezi a gazdanövényben a vad típusú MLO gén jelenlétét. A funkcióvesztése mlo allélt hordozó árpa, lúdfű, paradicsom vagy borsónövények széles spektrumú rezisztenciával rendelkeznek.

Dodds és Rathjen (2010) két alapvető formáját különbözteti meg a növényi védekezési folyamatoknak, az immunválaszoknak. A bakteriális flagellin vagy a gombák kitinje olyan a patogének által termelt molekuláris struktúrák (pathogen associated molecular patterns (PAMPs), amelyek specifikus mintázatot felismerő receptorokhoz (pattern recognition receptor PRR) kötődnek és ezzel aktiválják az ún. PTI immunválaszt (PAMP-triggered immunity). Mint az 1. ábra szemlélteti, ezek a receptorok két funkcionális egységből épülnek fel. A leucin aminosavakból álló ismétlődéseik a membránon kívül, míg a fehérjék foszforilálására képes kinázalegység a citoplazmában helyezkedik el. Az utóbbi aktivációjával kezdetét veszi egy a MAPK-ok (mitogen-activated protein kinases) által közvetített foszforilációs láncolat, ami etilén, jazmonsav vagy a szalicilsav közvetítette jelátviteli folyamatokkal együtt a védekezési gének kifejeződését indítja el. Ezek a gének proteáz gátlók szintézisét, szabad oxigén gyökök felhalmozódását irányíthatják.

A növény és a kórokozó közötti versengésben a támadó fél bevethet olyan eszközöket, amelyek hatástalanítják a növény immunrendszereit. Ilyenek például az ún. III típusú kiválasztási rendszer által a sejtekbe bejutatott fehérje természetű effektor molekulák. Ezek, mint hatékony biokémiai eszközök segítik a fertőzési folyamatokat azzal, hogy specifikusan hatástalanítják a PTI immunredszer egyes elemeit. Így például a Pseudomonas syringae is a gram-negatív baktérium által termelt effektor fehérjék ( AvrPtoA and AvrPtoB ) gátolják a PAMP receptorokat, míg a HopAI1 and HopF2 fehérjék a MAPK utat (3/b. ábra).

Túl az effektor fehérjéknek a betegség kialakulásában betöltött szerepén bizonyos, a kórokozó által termelt effektor fehérjéket az ún. Avr (avirulencia) gének termékeit felismerik az R gének által kódolt betegség rezisztencia fehérjék és ezzel egy másik az ún. effektor indukált immunitás (effector triggered immunity, ETI) folymata is szerepet kaphat a védekezési folyamatokban (1/c.ábra). A nukleotidot kötő alegységből (NB) és a leucinban gazdag ismétlődésből (LRR) felépülő rezisztencia fehérjék közvetlenül fizikai kapcsolatba léphetnek a patogén által kibocsátott effektor fehérjékkel, illetve a hatásuk más segédfehérjék közreműködésével érvényesülhet. Az R fehérje inaktív állapotát szünteti meg az effektor kapcsolódása. Az LRR alegység biztosítja a felismerés specifitását.

Mind az PTI mind az ETI válaszreakciókban kiemelt jelentőségűek a növényi hormonok (Bari és Jones 2009). A szalicilsav a biotróf kórokozók elleni védekezésben, míg a jazmonsav és etilén a nekrotóf patogénekkel szembeni reakciókban juthat meghatározó szerephez. A génkifejeződés átprogramozása más-más mintázatot mutathat. Az R gének aktivációja a válaszreakciók széles spektrumát érinti. A kalciumionok beáramlásán túl, az aktív oxigénformák felhalmozódása mellett a fehérjék foszforilációs változásai jellemzik a megtámadott sejteket és a környező szöveteket. A hiperszenzitív reakciók folytán a sejtek gyors pusztulása jelentheti gátját a kórokozó továbbterjedésének.

Image Text 1. ábra: A növény-patogén kölcsönhatás alapmechanizmusai.
(a): a növényi receptor, amelynek leucin aminosavakból álló ismétlődéseik a membránon kívül, míg a fehérjék foszforilálására képes kinázalegység a citoplazmában ismeri fel a patogének által termelt molekuláris struktúrát (PAMP), és így aktiválja a védekezési reakciókat.
(b): a kórokozó által termelt effektor molekulákat az ún. III típusú kiválasztási rendszer a sejtekbe jutatja, ahol azok gátolják a védekezési reakciókat (pl. MAPK hálózatot).
(c): a növény immunreceptorain keresztül felismer effektor fehérjéket, ami elindítja a tartós védekezési folyamatot, mint pl. a hiperszenzitív reakció vagy sejthalál. A nukleotidot kötő alegységből (NB) és a leucinban gazdag ismétlődésből (LRR) felépülő rezisztencia fehérjék kötik az effektor fehérjét. (Charlie Wang, valamint Bari és Jones (2009) nyomán)

Mivel a genetikai információ a DNS-molekulák nukleotidbázisainak sorrendjeként rögzítődik, így a sorrend feltárása, az ún. DNS-szekvenálással történő megismerése alapfeltétele annak, hogy megértsük az örökítő anyag felépítését, működését, illetve génsebészeti műveleteket végezhessünk. A teljes DNS-állományra, az ún. genomra kiterjedő bázissorrendek meghatározását az ún. genomprogramok keretében végzik. A DNS-szekvenátorok új generációinak köszönhetően egyre több növény és patogén szervezet genomjának felépítését ismerhetjük meg. A fontos gazdasági növényeinkben 30-47 ezer fehérjét, illetve néhány száz mikro-RNS-t kódoló gént prognosztizálnak a komputerprogramok. Ez egyben azt is jelenti, hogy ennyi gén közül kell kiválasztani a növény-patogén kölcsönhatásban szerepet játszó géneket és a génizolálást követően GM növények előállítása érdekében génbeépítést végezni. A kórokozói oldaláról a genomok szekvenciájának meghatározása lehetőséget ad a patogenitásért felelős gének azonosítására, rokonsági kapcsolatok tisztázására és a kórokozók megbízható diagnosztizálására.

Ma és munkatársai (2010) három fuzárium faj, a Fusarium graminearum, a Fusarium verticillioides és a Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici genomanalízise során 17-14-13 ezer kódoló gén jelenlétét lehetett megbecsülni. Figyelmet érdemel, hogy a Fusarium oxysporum esetében magas az ismétlődő szekvenciák között az ugráló gének, az ún. transzpozonok aránya (3.98%), míg a másik két faj esetében ez a gyakoriság csak 0.14 és 0.03%. A három genomban 46 géncsoportot lehetett azonosítani, amelyek a mikotoxin-szintézissel kapcsolatos másodlagos anyagcseretermékek képződésében vesznek részt. Továbbá a funkciókeresés feltárt olyan géneket, amelyek effektor fehérjéket kódolnak vagy részt vesznek a nekrotikus tünetek kialakításában, valamint a sejtfalbontó enzimek szintézisét irányítják.

A nemesítési műveletek alapja, hogy kapcsolatot lehessen teremteni egy adott fenotípus kategória és az azt meghatározó gén vagy gének illetve a kapcsolt DNS szekvencia markerek között. A rezisztenciagének kromoszómális lokalizációja molekuláris genetikai térképezéssel megbízhatóan elvégezhető. Számos sikeres példa közül a térképezés folyamatát jól bemutatja Gao és munkatársai (2012) közleménye, amelyben egy új lisztharmat Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) ellenállósági gént (Pm46) azonosítottak. Figyelmet érdemel, hogy ezidáig a búzában 46 gént, illetve 64 Bgt rezisztencia allélt térképeztek 18 kromoszóma szakaszon. Ezek közül csak néhány került felhasználásra nemesítési alapanyagként, és sok esetben új lisztharmat rasszok megjelenésével jelentőségüket veszítették a korábban használt génforrások. A géntérképezéshez alkalmazott molekuláris markerek lehetőséget adhatnak olyan amplifikációs primerek szintézisére, amelyekkel a polimeráz láncreakciót (PCR) elvégezve követhető a Pm46 rezisztencia gén öröklődése és így a DNS alapú szelekció megvalósítása.

A funkcionális genomika kínálta megközelítések közül a DNS-csip technológiát széleskörűen használják a növény-kórokozó kapcsolat kutatásában (lásd összefoglaló Lodha és Basak 2012). A cDNS alapú vagy a szintetikus oligonukleotidokat hordozó ún. microarray lemezek segítségével több ezer gén kifejeződésének paraméterei vizsgálhatók. Napjainkban új alternatívát jelent a géntermékek, az átírt RNS-molekulák közvetlen szekvenálása a nagyteljesítményű szekvenátorok segítségével (Baginsky et al. 2010). A számos nagyon fontos kísérlet közül a lehetőségeket jól szemlélti Gyetvai és munkatársai (2012) közleménye, amely a Avr1 effektor gént hordozó burgonyavész (Phytophthora infestans) változattal végzett fertőzést követően egy és három nappal vett mintákban kimutatható génaktivitás változásokat vizsgálja. A tesztelt genotípusok egyike hiperszenzitív rezisztenciával rendelkezik, mert hordozza az inkompatibilitási R1 transzgént. Az érzékeny (kompatibilis) kölcsönhatást két genotípus képviseli. Az ORF45 transzgenikus növények egy olyan r1.1 génnel rendelkeznek, amely nagymértékben hasonló szerkezetű, mint az R1 gén, de nem biztosít rezisztenciát. Szintén szenzitív válaszreakció jellemzi az r1gént hordozó Desire fajta vadtípusú növényeit. Mint a 2. ábrán is megfigyelhető, a fertőzést követően fokozottabbak a génkifejeződési változások a szenzitív (kompatiblis) reakciókban (r1, ORF45), mint a rezisztens kölcsönhatásban (R1). A kompatibilis kölcsönhatásban számos patogenezishez kötődő gén aktiválódott (2. ábra), míg a fotoszintézis és széndioxid fixálás génjei kikapcsolódtak. Ezek a változások a gazdasejtek jelentős átprogramozódását tükrözik.

Image Text 2. ábra: Az ismert védekezési gének differenciált kifejeződése az érzékeny (kompatibilis r1 és ORF45), illetve rezisztens (inkompatibilis R1) kölcsönhatásban. A hőskála logaritmikus egységben jelzi a változást. A minták a fertőzést követően 1 és 3 nappal kerültek begyűjtésre (Gyetvai et al., 2012).

A funkcionális genomika elsődleges célja a gének szerepének tisztázása. Ebben az ismeretlen funkciójú gének, mint DNS molekulák izolálása, majd beépítése a befogadó növény genomjába, aztán a fenotípusos hatások értékelése jelenti azt a műveletsort, amivel megismerhetjük a növényi gének funkcióját. A géntechnológia módszereivel előállított transzformáns növények egyrészt nélkülözhetetlenek a növényi élet törvényszerűségeinek megismerésében, másrészt nemesítési tenyészanyagokat szolgáltatnak a sikeres fajtaelőállításhoz. A növényi GMO-król korábban több összefoglaló tanulmány is készült, ezért ebben az elemzésben a növényvédelemmel kapcsolatos eredmények közül csak néhányat mutatunk be a stratégiai lehetőségek felvázolására (Dudits, 2009; Balázs et al. 2011, Zöld Biotechnológiai Hírlevél, Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesület).

Vírusrezisztencia génbeépítéssel

Vírusfertőzéssel szemben ellenálló növényeket többféle géntechnológiai alapkoncepció mentén lehet előállítani. A kórokozó genetikai elemeinek felhasználásával kialakított növényi rezisztencia egyik legelsőként igazolt változata a vírus burokfehérje szintetizáltatásával biztosítja a vírusok szaporodásának gátlását. Gottula és Fuchs (2009) összefoglaló tanulmánya elemzi a negyedszázados kutatás-fejlesztés eredményeit, bemutatva azokat a példákat, mint a GM papaya, uborka, görögdinnye, amelyek termesztésbe kerültek. Argentínában Bravo-Almonacid és munkatársai (2012) burgonya Y-vírus burokfehérjét kifejező transzgenikus vonalakat állítottak elő és szabadföldi kísérletekben is jellemeztek. Az üvegházban rezisztensnek talált több mint 100 variánsból kettő bizonyult a szántóföldön is stabilan vírusmentesnek. Sem a morfológiai bélyegekben, sem a termésben és a gumóméretben nem volt különbség a GM és kontrollvonalak között. A gumók összfehérje mennyisége, aminosav-összetétele és alkaloidtartalma nem változott a génbeépítéssel. A transzgén átkerülését a rokon Solanum chacoense növényekbe nem tudták kimutatni. Ebben a transzformációs munkában szelekciós markerként a kanamicin antibiotikumot használták. Bár szakmailag nem megalapozottak az aggodalmak, mégis erősen kritizálják az ilyen markerek használatát. Ezért van jelentősége a markermentességet biztosító módszereknek. Magyarországon Balázs Ervin vezetésével végeztek sikeres kísérleteket Y-vírus ellenálló GM burgonya vonalak előállítására, amelyeket a hajtásképző fenotípus alapján szelektáltak ki. (Bukovinszki et al. 2007).

A patogén eredetű rezisztencia másik igen fontos mechanizmusa a szekvencia specifikus RNS degradáció folyamatán alapszik (lásd összefoglaló Simón-Mateo és García, 2011). Aragão és Faria (2009) beszámolt az RNS csendesítésével létrehozott vírusrezisztenciáról bab növényekben. A növényi gének szintén felhasználhatók a vírus-ellenállóság génsebészeti kialakítására. Ennek egy érdekes példája, amikor a fehérjeszintézis elindításában szabályzó szerepet játszó eIF4E faktor mutáns változatát használják GM növények előállítására. Számos növény esetében azonosítható volt az eIF4E gén mutáns változata, így például a pvr1 gén a paprikában, a pot-1 gén paradicsomban, de a recesszív allél megtalálható árpában, dinnyében és borsóban is. A természetben előforduló rezisztens változat 1-4 aminosav cserével rendelkezik a vad típushoz hasonlítva. Ennek ismeretében Cavatorta és munkatársai (2011) irányított mutagenezissel előállították a burgonya eIF4E allélját, amelyet a burgonyában kifejeztetve Y-vírus-rezisztencia alakult ki. Ez a génbeépítés példa a GM technológia „intragenikus” változatára, amely a hagyományos növénynemesítéshez hasonlóan a faj genetikai határain belüli variabilitást hasznosítja.

Géntechnológiai stratégiák a bakteriális és a gombás fertőzésekkel szemben

Az előzőekben meggyőződhettünk arról, hogy a molekuláris biológiai kutatások, a géntechnológiai alkalmazások eredményei mennyire átalakítják a patogén-növény kölcsönhatásról alkotott szemléletmódunkat. Tanúi lehetünk annak, miként válnak ismertté az interakcióban résztvevő molekulák, miként tisztázódnak a korábban ismeretlen funkciók. Teljesen természetes, hogy a folyamatosan bővülő tudásbázison felgyorsul a rezisztenciát biztosító géntechnológiai lehetőségek kipróbálása. Több összefoglaló friss tanulmány is tanúsítja, milyen sokféle út kínálkozik a bakteriális és gomba kórokozókkal szembeni, genetikailag megalapozott rezisztencia kialakítására (Wally és Punja, 2010; Ijaz és Iqbal khan, 2012; Boyd et al. 2012; Helliwell és Yang, 2013).

Nyilván ez az elemzés nem vállalkozhat a géntechnológiai stratégiák teljes spektrumának bemutatására. A kiragadott néhány példa talán elegendő annak érzékeltetésre, hogy milyen jelentős a transzgenikus GM növények szerepe napjaink rezisztencianemesítésében. A burgonyavész (Phytophthora infestans) világszerte, és természetesen Magyarországon is, jelentős kórokozó. Járványok esetén különösen számottevő az okozott terméskiesés. Ezért van szükség az integrált növényvédelmi rendszerek alkalmazására, amelynek fontos eleme a rezisztens fajták előállítása és termesztése. Wendt et al. (2012) alapján a 3. ábra bemutatja a nagyfokú különbséget a kontroll és GM növények között a burgonyavész tünetekben. Az utóbbiak hordoznak egy a Solanum bulbocastanum vad burgonyafajból származó RB rezisztenciagént. Egy ilyen tulajdonság akár a magyar fajtákban is jelentős gazdasági és környezetvédelmi haszonnal járna.

Image Text 3. ábra: A burgonyavész tünetek az RB rezisztenciagént hordozó GM burgonya levelén (bal oldali kép) és a kontrollnövény levelének erős károsodása (jobb oldali kép) (Wendt et al., 2012).

A lisztharmattal szembeni rezisztencia kialakítása érdekében Kalinina és munkatársai (2011) olyan GM búza növényeket állítottak elő, amelyek vagy kifejezik a búzából származó pm3b rezisztenciagént vagy hordozzák az árpából izolált kitináz gént, illetve a kitináz és b-1,3-glükanáz géneket. Valamennyi génbeépítés redukálta a lisztharmat okozta tüneteket. Fontos megfigyelése a szerzőknek, hogy a rezisztenciagének magas kifejeztetése csökkentette a GM növények esetében a szemek számát és a termést. Ez azt jelenti, hogy a rezisztencia ára túl magas, és a védettség a növények teljesítőképességének kárára alakul ki. Figyelmet érdemel, hogy a műtrágyázás valamennyi genotípus esetében növelte a lisztharmat okozta tüneteket.

A fuzárium (Blumeria graminis f. sp. tritici) fertőzéssel szembeni rezisztencia kialakítása különös nehézséget jelent a gabonanemesítők számára (Draeger et al., 2007). Ezért a géntechnológiai megoldások kiemelt figyelmet érdemelnek. A többféle lehetőség közül érdekes a Han et al. (2012) által közölt megoldás, amikor a szarvasmarha laktorferrin cDNS-ét fejeztették ki GM búzanövényekben, és ennek következtében megnövekedett a növényi kivonatokban az antifungális hatás (4. ábra). Míg a kontroll Bobwhite fajta növényein 82%-os volt a fertőzöttség, addig a transzgenikus vonalak 14-46%-os fertőzést mutattak. A hatásért feltételezhetően a laktoferrin (80kD) fehérjéről lehasított N-terminális peptid felelős.

Image Text 4. ábra: A szarvasmarha laktorferrin cDNS-ét kifejeztő GM búzanövények leveleiből készített kivonatok antifungális hatása gátolja a F. graminearum növekedését in vitro. A: a kontrollnövények kivonata? B: a GM növények kivonata (Han et al., 2012)

Már az 1. ábra utalt rá, hogy a WRKY transzkripciós faktorok központi szerepet játszanak a patogenezis során a génkifejeződés szabályozásában. Búza esetében a TaWRKY45 gén aktiválódik fuzáriumfertőzés hatására (Bahrini et al., 2011). A szerzők előállítottak olyan GM búzavonalakat, amelyekben egy erős vírus promóterrel (CaMv35S) fejeztetik ki a búza teljes hosszúságú cDNS-ét (TaWRKY45). Az új genotípusok több kórokozóval szembeni rezisztenciával rendelkeztek. Az üvegházi tesztelésekben a fuzárium, a lisztharmat és a levélrozsda tünetek csökkenését lehetett kimutatni.

Rovarrezisztens GM növények a mezőgazdasági gyakorlatban

A géntechnológiával nemesített rovarrezisztens növények, elsősorban a kukorica és a gyapot 2011. évi vetésterülete közel 24 millió hektár volt. Ezen felül közel 5 millió hektáron termesztettek gyapotot rovar- és gyomirtószer-ellenállósági tulajdonságokkal. A rovarrezisztens GM növényekkel nyilvántartott üzemi kísérletek száma 174. Ezek az adatok megmagyarázhatják, miért koncentrálódik a GMO vita a rovar-ellenállóság témája köré. Mind a gazdasági, mind a környezeti hatások igen jelentősek, ami indokolja a tudományosan színvonalas, átfogó tanulmányok készítését (lásd Gatehouse et al., 2011; Sanahuja et al., 2011). A Bacillus thuringiensis (Bt) talajbaktériumok spóráiban található Cry/Cyt fehérjék (endotoxinok) specifikus rovarölő hatását széleskörűen felhasználják GM növények kifejlesztésére. Ezekről a „mérget” termelő növényekről könnyen el lehet hitetni, hogy veszélyt jelentenek. A félretájékoztatás mesterei elfelejtik megemlíteni, hogy a gyilkos, a membrán károsítására képes molekula nem a növényben található. Az csak az érzékeny célrovarok bélcsatornájában képződik. Cry/Cyt fehérjék oldható formájáról levágódik egy 65-70 kD rövidebb forma, amely már aktív, és képes a specifikus receptorokon keresztül a sejtek membránjába beépülni és sejthalált okozni. Ez a folyamat erősen fajspecifikus.

Az Európai Unióban termesztésre engedélyezett GM hibridkukorica a Bt. fehérje (cry1Ab) kifejeztetésével alakítja ki a kukoricamoly (Ostrinia nubilalis) rezisztenciát. A MON 810 hibrid termesztését Magyarországon tiltják. Általában elfogadott, hogy ez a kártevő nem okoz jelentős gazdasági veszteséget a magyar gazdáknak. Így például 2011-ben a lárvakártétel 3-5%-os volt. Módosíthatják ezt a megítélést olyan évjáratok, amikor a kártétel súlyos. Ezt lehetett tapasztalni a 2012-es aszályos évben (an Agro Napló, 2013. január 5.). A kukoricamoly rezisztencia jelentőségének megítélésekor érdemes figyelembe venni, hogy sebzések hiányában csökken a fuzáriumfertőzés esélye, és így a toxinszennyezettség mértéke (Selwet, 2011). A kukoricamoly ellenálló GM hibridek jelentősége még Magyarországon is felértékelődhet, ha megnő a kártevő agresszivitása, és fontos lesz az egészségesebb takarmányok és élelmiszerek biztosítása minden lehetséges módon.

Tekintettel a Bt-toxinok szelektivitására a kukoricabogár (Diabrotica virgifera virgifera) ellen hatásos Cry3A, Cry3Bb1 fehérjéket szintetizáló GM hibrideket szintén előállították és használják a termesztésben. Magyarországon a kártétel évenként eltérő, a 2012-es évben közepes vagy erős fertőzést regisztráltak. A bogár gazdasági jelentőségét tükrözi, hogy évente 4 milliárd Ft-ot költenek a gazdák a vegyszeres növényvédelemre. A GM hibrideknek ezért mind az önköltség csökkentésében mind a környezet védelmében lenne szerepük. A géntechnológiával előállított genotípusok helyét a nemesítési programokban Marton és Bedő (2011) tanulmánya ismerteti. A magyarországi környezeti hatásvizsgálatok eredményeit mutatja be Szénási et al. (2009) közleménye, amely megerősíti, hogy ezek a GM hibridek eleget tesznek az integrált növényvédelem követelményeinek. Ez ideig az EU területén nincsenek termesztési célú kereskedelmi forgalomban kukoricabogár rezisztens Bt hibridek, de több esemény engedélyezési eljárása is folyamatban van (EFSA Panel on Genetically Modified Organisms, 2011). Az engedélyezéseket követően az ilyen hibridek hazai tiltása súlyos versenyképességi hátrányt jelent majd a magyar termelők számára egy olyan környezetben, ahol a szomszédos országokban használni fognak GM vetőmagot.

A Bt-technológiával létrehozott rezisztencia sem kivétel, és így természetes, hogy idővel megjelennek az ellenálló rovarok populációi. Ez a jelenség ismert számos természetes rezisztenciaforrás esetében. Erre fel kell készülni, és tisztázni a tudományos lehetőségeket a probléma kezelésére. Mint Devos et al. (2012) javasolják, a 20%-os menekülési zóna kialakítása szenzitív növényekből lassíthatja egy adott Bt. fehérjével szembeni rezisztencia kialakulását. Megoldást jelenthet több eltérő szerkezetű toxinfehérje kifejeztetése a hibridekben. De érdemes figyelembe venni, hogy teljesen más mechanizmusokon alapuló rezisztencia is kialakítható géntechnológiával. Ezek közül figyelmet érdemel Zhu et al. (2012) munkája, amelyben az ekdizon hormon receptor (EcR) kettős számú, hajtű RNS-ének kifejeztetésével tudtak rovarrezisztenciát kialakítani. A GM dohánynövények levelét fogyasztó Helicoverpa armigera lárvák a receptor mRNS molekuláinak degradációja miatt elpusztultak.Helicoverpa armigera

Gyomirtószer-szelektivitás kialakítása géntechnológiával

A környezetkímélő, szelektív gyomirtás lehetőségeit kiszélesítette a géntechnológiával kialakított herbicid rezisztens növények használata. 2011-ben 93.9 millió hektáron termesztettek szója, kukorica, repce, gyapot, cukorrépa és lucerna fajtákat ezzel a tulajdonsággal. Közel felén ennek a vetésterületnek olyan növényeket vetettek, amelyek több, eltérő típusú rezisztenciagént hordoznak. Az ellenálló gyomok megjelenését korlátozni lehet az integrált gyomtalanítási technológia használatával, ami alkalmazza a gyomirtó szerek váltását, a precíziós vegyszerkijuttatást, a dózisok optimalizálását, a mechanikai védekezést vagy akár a növényállomány szabályozását (összefoglaló Green és Owen, 2011). A glüfozát-rezisztens növények használata a legszélesebben elterjedt. A rezisztencia többféle úton alakítható ki, mint azt részletesen elemzi Pollegioni et al. (2011). összefoglalója. A foszfinotricin hatóanyagú totális gyomirtó szerekkel szembeni rezisztencia is beépítésre került több gazdasági növénybe. Szegeden a Szegedi Gabonakutató Kft. és az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont munkatársai egyrészt közölték foszfinotricin rezisztens kukorica előállítását (Omirulleh et al., 1993) másrészt, mint azt az 5. ábra bemutatja (Pauk János et al.), GM búza transzformánsokat állítottak elő (Áy et al., 2012).

Image Text 5. ábra: A szabadföldi kísérletben is kimutatható a GM búza genotípus gyomirtószer rezisztenciája. A bal oldali két sorban a kontrollnövények a rezisztencia gén hiányában elpusztultak. (Pauk et al. kísérlete)

A géntechnológiával előállított genotípusok bírálói előszeretettel hivatkoznak arra, hogy a transzformációs módszerek teljesen véletlenszerűen építik be a géneket a növények genomjába - nem lehet tudni, mi történik. Ezért az új nemesítési módszerek között a helyspecifikus génbeépítés módszereinek kifejlesztése intenzív kutatással folyik. Növényi genomok szerkesztését célozzák azok a kísérletek, amelyekben a cink-ujj nukleázokra (ZFN) alapozott technológiák kiválasztott genetikai háttérbe juttatják a kívánt gént vagy mutációt indukálnak (Parisi et al., 2013). Ezzel a módszerrel irányítottan lehetett beépíteni foszfinotricin rezisztencia gént egy adott (IPK1) kukorica génbe (Shukla, 2009).

Quo vadis?

Csak néhány kiragadott eredménnyel kívántuk érzékeltetni a növényi géntechnológiai kutatások intenzitásának nagyságát, azt, hogy a fejlesztések közvetlenül érintik a rezisztencianemesítés problematikáját, és így a növényvédelem ügyét. A jelenleg tapasztalható, gyakran erősen elfogult és átpolitizált viták ellenére nem jelent nagy kockázatot, ha biztosak vagyunk a GM növények meghatározó szerepében, amit azok már ma, de a jövőben még inkább betöltenek majd a mezőgazdasági tevékenységben. A jövő kihívásai elég megbízhatóan körvonalazhatók. Így 2050-ben 70%-al több élelmiszerre lesz szüksége a világ megnövekedett számú népességének. Napjaink mezőgazdasága sokban hozzájárul a környezeti problémák fokozódásához, a klímaváltozás folyamataihoz. Az üvegházi gázok 14%-a származik az agrártevékenységből. A tét felismerését igazolják azok a nemzetközi programok, amelyek célja a termésbiztonság feltételeinek megteremtése. Így például a ”Búza Termés Konzorcium” célja a búza termőképességének 50%-os javítása (Reynolds et al., 2011). Ennek érdekében a fotoszintézis hatékonyságát a C4 típusú tulajdonságok kialakításával kívánják elérni. A lehetőségeket sokban kibővíti az, hogy a búza genom feltárásában gyors az előrehaladás (Brenchley et al., 2012). Nem lehet kétségünk abban, hogy ez a program a géntechnológiai, a genomikai megközelítéseket kiemelt fontosságúnak tekinti. A termőképesség javításában és a veszteségek mérséklésében a rezisztenciaképességek kialakítása kulcstényező. A tudomány kínálta eszközöket és így a géntechnológiával történő nemesítést felelőtlenség visszautasítani. Nem tehetik ezt a politikusok, de a környezetvédők sem. A realitások elfogadását, egy biztató jövőkép formálódását jelzik a környezetvédelem meghatározó személyiségeinek legutóbbi nyilatkozatai. Az ismert zöld aktivista és író Mark Lynas elnézést kért a 2013. évi oxfordi gazdakonferencián azért, hogy kezdeményezőként éveken át részt vett az anti-GMO kampányokban, mert ezek útjában állnak a jövő élelmiszer-termelésének. Egy másik előadója ennek a konferenciának, Owen Paterson, az angol környezetvédelmi államtitkár azt mondta: „a GM nagy lehetőséget kínál, de tisztában vagyok azzal, hogy az embereket biztosítani kell: ez egy veszélytelen és hasznos innováció”.

Kívánatos, hogy Magyarországon is tudományos alapokra helyeződjék a géntechnológia ügyeinek kezelése. A magyar gazdák érdeke, hogy szabadon választhassák meg a növénytermesztési technológiákat. A mostani alaptörvényi tiltás bizonytalan indokai okafogyottá válnak, amikor a burgonyavész-, a kukoricabogár- vagy az aszálytűrő GM növények termesztése lehetővé válik az Európai Unió tagállamaiban.

A cikk letöltése pdf formátumban.

Legfrissebb
  • Batáta, az anyatermészet génmódosítása

    A há­z­i­a­sí­tott éd­es­bur­go­nya és an­nak kö­z­e­li vad ro­ko­nai kö­z­ött fon­tos kü­l­önb­sé­g­et fe­de­zett fel egy ku­ta­tás. A ba­tá­ta ge­nom­já­b­an ugya­n­is ket­tő, Ag­ro­bak­té­r­i­um ál­tal be­vitt gént ta­lál­tak. Ezek a gé­n­ek pe­dig nem csak je­len van­nak a ge­nom­ban, ha­nem ki is fe­je­ződ­nek, ami ar­ra en­ged kö­v­et­kez­tet­ni, hogy olyan hasz­nos tu­laj­don­ság ki­a­la­kí­t­á­s­á­b­an van sze­re­pük, ami a há­z­i­a­sí­t­ás so­rán sze­lek­ci­ós előnyt je­len­tett a ba­tá­t­á­n­ak.

  • Mérgező élelmiszer a polcokon

    A GM nö­v­é­nyek­kel el­len­tét­ben a nö­v­ény­vé­d­ő­s­z­er­rel szen­nye­zett ter­mé­nyek­ről ke­vés hír szól. Ér­d­e­mes át­bön­g­ész­ni a táb­lá­z­a­tot. Köz­ben fel­me­rül a kér­d­és, hogy vegy­s­zer­men­tes GM nö­v­ény­től vagy a mér­ge­ző re­tek­től kell-e job­ban fél­ni.

  • Mit mondanak azok a kutatások, amiket nem a multik pénzelnek?

    Az el­múlt 60 év so­rán 698 ku­ta­tás fog­lal­ko­zott GM-nö­v­é­nyek­kel. A köz­le­mé­nyek több, mint fe­le tel­je­sen füg­g­et­len ku­ta­tók­tól szár­ma­zik, va­gy­is nem "lob­bi­zik" az egyik vagy a má­s­ik ol­dal mel­lett - nem ér­d­e­k­elt a kí­sér­l­e­tek ki­me­ne­te­lé­b­en. Ezek a füg­g­et­len ku­ta­tók pe­dig rend­re biz­ton­sá­g­os­nak ta­lál­ták a gén­tech­no­ló­g­i­á­v­al ne­me­sí­tett nö­v­é­nye­ket.

Korábbi hírleveleink:
Hírlevél feliratkozás

Iratkozzon fel kéthavonta megjelenő hírlevelünkre email címével!

Keresés