A növények csodálatos élete

Dudits Dénes
Tudástár, 2012-05-23 14:18:12

Összefoglalás

A növények életének rejtelmeiben való vizsgálódás sokféle meglepetéssel szolgál. A molekulák, a biokémiai folyamatok szintjén számos hasonlóság figyelhető meg a mikrobák, a növények és az állatok sejtjeinek működésében. Magasabb szerveződési szinteken már túlsúlyba kerülnek a növényspecifikus folyamatok. A növények szerveinek kialakulása egy belső fejlődési programirányítása alatt zajlik, amit a környezeti hatások lényegesen befolyásolhatnak.

Mestergének, a növényi hormonok hatásaival harmóniában szabályozzák a sejtek osztódását, differenciálódását. A gének ezreinek aktivitása vezet a jelátviteli hálózatok működéséhez, az anyagcsere-folyamatok koordinációjához. A növények a fényenergia kémiai energiává történő átalakításávalnélkülözhetetlen szerepet töltenek be a földi élet fenntartásában, mint táplálékok vagy energiaforrások.

A jelen tanulmány néhány példa bemutatásával tesz kísérletet arra, hogy meggyőzzön bennünket: az emberek életének jobbítása érdekében csak a megbízható kísérletekre alapozott ismeretek segíthetnek a növények által nyújtott sokféle lehetőség kihasználásában.


Bevezetés, indoklás

Emberi létünk megszámlálhatatlan formában kapcsolódik a növények világához. A növények táplálnak minket, hiszen élelmiszereink forrását jelentik, akár növényi, akár állati termékeket fogyasztunk. Teljes energiafelhasználásunk 13,4%-a származik növényekből, és a fenntartható fejlődés feltételeinek megteremtése során felértékelődik a zöld energia jelentősége.

A növények gyönyörködtetnek. Gondoljunk a rózsák vagy a mezei virágok színpompájára, az erdők fáinak tekintélyt parancsoló méltóságára. Csodálhatjuk a földből kibúvó csíranövény kirobbanó növekedését, a búza szárba szökkenését. A szemmellátható életjelenségek mögött meghúzódó molekuláris történések megismerése napjaink növénybiológiájának nagy kihívása, és bár napról napra újabb és újabb eredményeket szolgáltat a kísérletező kutató, messze vagyunk még attól, hogy egészében megértsük a növényi életciklust vezérlő folyamatokat – holott már alkalmazhatjuk a rendszer biológia egyes koncepcióit, a genomprogramok kínálta hatalmas adatbázisokat.

A DNS-chip technológia használatával teljességre törekedhetünk a gének működésének követésében, génfunkciókat értékelhetünk génbeépítés után a transzgenikus (GM) növények vagy mutánsok segítségével. A proteomika és metabolomika a sejtek fiziológiai állapotát részleteiben jellemzi. A növények külső jegyeinek követését pedig megbízhatóvá teszik a sejt-, illetve a növényszintű képalkotási módszerek, így a fenotipizálás nagyszámú növény esetében is megbízhatóan elvégezhető. Tekintettel az említett új megközelítésekre, túlzás nélkül állítható, hogy alapjaiban alakul át a növények életéről formálódó szemléletünk. Ezért indokolt napjaink növénybiológiájának főbb fejlődési irányait a friss kutatási eredmények segítségével, néhány kiemelt funkció példáján bemutatni.

Ismereteink jelentősen bővültek a növényi szervek kialakulását és szerveződését meghatározó génekről, fehérjékről. Ezeket a fejlődési folyamatokat és a növényi test formálódását nehéz megérteni anélkül, hogy foglalkoznánk a sejtosztódási ciklust irányító mechanizmusokkal. Agronómiai jelentősége van a szervek méretét befolyásoló géneknek. A fotoszintézis-kutatás változatlanul központi jelentőségű, hiszen a növények a napból származó energia elsődleges hasznosítói azzal, hogy a légköri CO2-gázt kémiai energiává alakítják. A klímaváltozás kedvezőtlen hatásainak felismerése folytán igen jelentős szellemi kapacitás koncentrálódik a környezeti abiotikus stresszhatások okozta károk mérséklése érdekében.


A növények fejlődési programja: a megtermékenyítéstől a kifejlett növényig

A növények számos fejlődésbiológiai érdekességgel szolgálnak, így a szervek kialakulása csak elkezdődik az embriogenezis során, de lényegében a növény egész életét végigkíséri az osztódó sejtekből felépülő merisztémák aktivitása, s ez újabb és újabb hajtások, gyökerek, majd ivarszervek differenciálódását teszi lehetővé.

Már a növényi élet kezdetét jelentő kettős megtermékenyítés is megkülönbözteti a növényeket a többsejtű, eukarióta szervezetektől. A pollentömlő hímivarsejtjeinek egyike egyesül a diploid kromoszóma állományú központi sejtmaggal, és ezzel kezdetét veszi a triploid (háromszoros kromoszómakészletű) endospermium kialakulása. Ez a táplálószövet biológiai szerepén túl a legfontosabb emberi táplálékok egyikét jelenti, gondoljuk csak a gabonafélék szemtermésének élelmezési jelentőségére.

Az endospermium szövet kialakulását szabályozó folyamatok kitűnő példát szolgáltatnak a genomikai lenyomat (genomic imprinting) fejlődésbiológiai szerepére. A magvak képződése feltételezi bizonyos gének szülői, anyai vagy apai eredet szerinti eltérő kifejeződését. Ezt a kiegyensúlyozatlan genetikai állapotot nevezik genetikai lenyomatnak, ami nem a DNS-szekvenciában kódolt, hanem epigenetikus folyamatok során jön létre, mint a hisztonfehérjék módosítása vagy a DNS-metiláció. Az epigenetikus jelenségek visszavezethetők a kromatin aktív, génkifejeződést megengedő, vagy zárt, a gének elhallgatását okozó állapotára.

A Polycomb Group (PcG) fehérjék, mint epigenetikus tényezők a növényekben is megtalálhatók, és részt vesznek a sejtek típusának meghatározásában, illetve az osztódási vagy differenciálódási folyamatok közötti átmenet szabályozásában. Arabidopsis mutánsok között találhatók az ún. FIS (Fertilization Independent Seed) gének hibái. A FIS – Polycomb Repressor Complex2 (PCR2) egyik alegysége a FIE- (megtermékenyítés nélküli endospermium) fehérje. Ha ez a gén mutáció következtében funkcióképtelenné válik, endospermium-képződés indul meg annak ellenére, hogy nincs megtermékenyítés, és nem történt meg a központi sejt magjainak fúziója a hímivarsejt magjával (1. ábra).

A képen látható, hogy az ilyen mutáns magkezdeményében az endospermiumsejtek többszöri osztódása is bekövetkezhet, míg nem alakul ki az embrió. Vad típusú növényekben a FIS-fehérjekomplex a nukleoszomális hiszton metilációja révén gátolja azoknak a géneknek a kifejeződését, amelyek az endospermium kifejlődéséhez szükségesek. Ez a gátlás a megtermékenyítéssel oldódik fel. Ha ez a funkció genetikai hiba folytán elvész, rendellenes diploid endospermium differenciálódása veszi kezdetét.

Image Text

Az endospermiumban kifejeződő gének, amelyek a raktározó fehérjéket vagy a keményítőszintézis enzimeit kódolják, alul metiláltságot mutatnak. Ez az epigenetikus állapot abból származik, hogy a DNS metilációt végző enzim (DNS-metiltranszferáz – MET1) génjének kifejeződése gátlódik, illetve a metilcsoportot eltávolító enzim (DNS-glükoziláz – DEMETER – DME) génje aktív. A búza endospermiumában szintetizálódó raktározófehérjéket, a glutenineket és a gliadinokat együttesen prolaminoknak nevezzük; ezek alapvetően befolyásolják a liszt sütőipari paramétereit.

Gabonaféléink termésének domináns összetevője a keményítő, ami a száraz szemsúly 70%-át is adhatja. Így a keményítő bioszintézisének egyes lépései, enzimösszetevői kiemelt figyelmet érdemelnek, ha maximalizálni kívánjuk a termést akár élelmezési, akár bioenergia-termelési célból. A DNS-chip technológiával végzett génkifejeződés-vizsgálatok szerint közel 800 gén mutat korai, endospermium specifikus kifejeződést.

A gének által kódolt fehérjéket tekintve megállapítható, hogy a citokinin növényi hormon jelátviteli rendszerének ebben a fejlődési fázisban kiemelt szerepe van. A sejtosztódást szabályozó gének aktivitása jelzi az endospermium sejtek számának növekedését. A fejlődő szemekben az ADPglükóz-pirofoszforiláz (AGP-áz) enzim a keményítőszintézist meghatározó faktorként működik, mivel terméke, az ADP-glükóz glükózdonorként szolgál a keményítő polimerizációjához.

Mint a 2. ábra szemlélteti, a keményítőszintézis elsődlegesen a plasztiszokban, az amiloplasztokban, illetve az endospermiumban zajlik az ADP-glükózt szubsztrátként használó keményítőszintáz enzim működése révén.

Image Text

A keményítő végső bonyolult szerkezetét olyan enzimek alakítják ki, amelyek elágazásokat létesítenek és szüntetnek meg. A keményítő két glükózpolimerből épül fel: az amilóz (20-30%) lineárisan kapcsolódó glükózegységeivel szemben az amilopektin (70–80%) erősen elágazó szerkezetű.

A keményítőszintézis fokozódását várhatjuk az ADP-glükóz-szint emelkedésétől, illetve az ADP-glükóz-pirofoszforiláz (AGPáz) aktivitásának növelésétől. Wang és munkatársai (2007) transzgenikus kukoricavonalakban egy mutáns bakteriális AGP-áz enzimet fejeztettek ki szemspecifikus zein promoterrel. A szemek nagyobb mérete a fokozott keményítőszintézis folytán a 3. ábrán látható.

Különböző génbeépítések igazolták, hogy az alloszterikus gátlás nélküli, akár bakteriális AGP-áz, akár mutáns kukoricaenzim kifejeztetése vagy 30%-kal növelte a burgonyakeményítő hozamát, vagy 15%-kal nagyobb kukoricaszemeket eredményezett.

Image Text

A táplálószövet, azaz az endospermium szerveződésével párhuzamosan zajlik a növényi test felépülésének programját alapjaiban meghatározó embriogenezis folyamata is. A petesejt és a sperma sejtmagfúziójával kialakuló zigóta – akár szabályos, akár szabálytalan sejtosztódási mintázatot követve – a növényi embriogenezis kiindulópontja. Mint a 4. ábra szemlélteti, már a késői, gömbstádiumú embrióban megtalálhatók a növényi test mintázatát alkotó főbb sejttípusok.

Ez az ábra azt is bemutatja, miként eredményezi a növényi hormon, az auxin (β-indol-3-ecetsav) mozgása a hormon felhalmozódását és ezzel a sejtek funkcionális specializálódását. A sejtekből az aktív auxinkiáramlást a Pin-Formed-1 (PIN1) fehérje biztosítja, amelynek a génjét a Monopteros (MP) transzkripciós faktor aktiválja.

A gyökérmerisztéma (RM)kialakulásának feltételét teremti meg az auxinfelhalmozódás az embrió alapi részén. Ebben a folyamatban két auxinfüggő transzkripciós faktor, a homeodomén WOX5 és az AP-2 típusú PLETHORA (PLT) génkifejeződést szabályozó fehérje játszik még meghatározó szerepet. A homeotikus gének morfológiai struktúrákat, a szervek kialakulását, továbbá a növényi test formálásának programját irányítják.

Image Text

4. ábra. Sejttípusok differenciálódása a fejlődő embrióban, valamint a merisztémák szerveződése mint a totipotens őssejtek hordozói és a szervképződés forrásai a növények életciklusa során. A hormonok (auxin, citokinin-CK) kölcsönhatása a génkifejeződést szabályozó faktorokkal (Monopteros – MP; WOX5; Wuschel – WUS; Plethora – PLT). A Pin-Formed-1 (PIN1) fehérje az auxinkiáramlás és -felhalmozódás szabályozója (nyilak).

A hajtásmerisztéma őssejtjeiben (piros) a Clavata-3 (CLV3) gén szignálpeptidszintézisét biztosítja, amely receptorokon keresztül (CLV1; CLV2) korlátozza a WUS régiót (kék). Az Arabidopsis-hisztidin-kináz-4 (AHK4, zöld) egy citokinin-receptor. Az ARR7/15 negatív regulátora a citokininhatásnak. A CLE40 peptidet a differenciált gyökércsúcsi sejtek szintetizálják, és így gátolják a WOX5-aktív (piros) őssejtek osztódását. Az Arabidopsis-crinkly-4 (ACR4) fehérje receptorként működik. (Vö. Wolters–Jürgens 2009; Sablowski 2010; Stahl–Simon 2010.)

A növények növekedésük vegetatív fázisában folyamatosan képesek új szerveket növeszteni. Ennek a környezeti feltételekhez történő alkalmazkodásban fontos képességnek a forrását a merisztémák totipotens őssejtjei biztosítják. A 4. ábra szemlélteti az őssejtek csoportjának elhelyezkedését mind a hajtás-, mind a gyökércsúcsban. A leegyszerűsített vázlat olyan visszacsatolási mechanizmust mutat be, amelyben növekedési hormonok és regulátor fehérjék kontrollálják a képződő őssejtek számát. Így az auxin felhalmozódása a merisztéma szélén levő sejtekben szervképződést, például levél differenciálódást eredményezhet.

A citokininek szükségesek az osztódási képesség fenntartásához. A merisztéma csúcsi részén található őssejt-populáció a Clavata-3 (CLV3) gén aktivitása folytán egy 183 aminosavból felépülő szignálpeptidet termel, amely a mélyebben elhelyezkedő iniciális sejtek alkotta organizációs központban aktív Wuschel (WUS) gén működését gátolja. Ez a gén egy homeo régióval rendelkező transzkripciós faktort kódol, amely szerepet játszik az őssejt azonosság ellenőrzésében és új szervek kialakulásának kezdeményezésében. A WUS faktor elsődleges funkciója a génkifejeződés gátlása a merisztémában, de aktiválja az ivarszervek kialakulását irányító Agamous gént is.

A gyökérmerisztéma szerveződésének és működésének felderítéséhez érdemes figyelembe venni azt a hipotézist, hogy a gyökérmerisztéma lényegében a hajtásmerisztéma környezeti adaptáció során kialakult változata. Ebből fakadóan a főbb szabályozó elemek – mint a növényi hormonok, peptidek, illetve transzkripciós faktorok – szintén szerepet játszanak a gyökér fejlődési programjában. A gyökér keresztmetszetét tekintve körkörösen helyezkednek el a differenciált sejtek egyes típusai, mint azt a 4. ábra szemlélteti. Hosszmetszetét nézve a gyökérsüveg felett azonosítható a merisztéma régió, ezt a megnyúlási és differenciálódási zóna követi. Ez a struktúra visszatükrözi a gyökérsejtek funkcionális átprogramozódásának folyamatát, amikor a sejtosztódási aktivitást felváltja a sejtmegnyúlás és a differenciálódás.

Mint a 4. ábrán látható, a gyökérmerisztémát részben a mitotikusan ritkán aktív központ, a quiescent center (QC) mint a környező őssejtek (kiindulási sejtek) hosszú távú forrása és regulátora alkotja. Az ezek osztódásából származó utódsejtek egy része kapcsolatban marad a QC régióval, és megőrzi őssejt jellegét, másik része eltávolodik a központtól, és a differenciált gyökérsejtek kiindulási forrásaként szolgál. Ezek az ún. transitamplifying (TA) sejtek többszöri osztódást és megnyúlást követően a differenciálódási régióban nyerik el specializált funkciójukat. Az említett sejtaktivitások hátterében működő gének és szabályozási rendszerek feltárásában központi szerepet játszottak az Arabidopsis mutánsok és azok részletes jellemzése.

Így vált ismertté a QC-sejtekben kifejeződő (Wuschel-related homeobox 5) WOX5 gén mint az őssejtfunkció fontos meghatározója. A WOX5 hatását szintén korlátozhatja peptidhatás, ezt igazolja a CLE40 szintetikus peptid által okozott, a merisztéma méretében bekövetkező csökkenés. A gyökérőssejtek funkcióinak komplex szabályozási rendszerében szerepet játszanak további, elsősorban a gének kifejeződését meghatározó transzkripciós faktorok.

A Plethora (PLT) AP2 régióval rendelkező regulátor gén működése az auxingradiens függvénye. Magas PLT-aktivitás serkenti az őssejtállapot kifejeződését, alacsony szint az őssejtekből származó leánysejtek mitotikus osztódását biztosítja, míg a még alacsonyabb PLT-szint lehetővé teszi a sejtek differenciálódását. A gyökérszövetek kialakulásának szabályozásában központi szerepe van két másik transzkipciós faktornak. A Shortroot (SHR) fehérje aktiválja a Scarecrow (SCR) gén kifejeződését, s ez sejtosztódási gének működését eredményezi a QC sejtjeiben, illetve a cortex/endodermis sejtek elősejtjeiben. A gyökér szerveződését és növekedését irányító szabályozási mechanizmusok ismerete segítheti a nemesítési munkát, amelynek célja a víz- és tápanyag-hasznosítás hatékonyságának növelése.

A növényi életciklus során igen kritikus fejlődésbiológiai esemény a vegetatív-generatív növekedési fázisok közötti átmenet, amellyel kezdetét veszi az ivarszervek kialakulása és az utódok létrehozásának folyamata. A virágzást és megtermékenyítést szabályozó génekről és fehérjékről részletes bemutatást ad egy korábbi tanulmány (Dudits 2004).A növények fejlődési programjának megvalósulása során a hormonok a belső fiziológiai állapot, illetve a külső környezeti tényezők függvényében módosítják a növekedés jellemzőit. A növekedést szabályozó hormonok között kiemelt szerepe van az auxinoknak, citokinineknek, brasszinoszteroidoknak, valamint a gibberellineknek. Az abszcizinsav, az etilén és a jazmonsav elsődlegesen a stresszválaszokban jut szerephez. Az egyes hormonok anyagcsereútjainak módosítása jelentős változást eredményezhet a növényi szervek méretében és élettani paramétereiben.

Találhatunk példát mind a szemtermés méreteit, mind a zöldtömeget növelő géntechnológiai megoldásokra. Wu és mtsai. (2008) a brasszinoszteroid szintjét növelték meg GM rizsnövényekben azzal a céllal, hogy serkentsék a szemfeltöltődést. A szterol-C22-hidroxiláz (CYP) enzim cDNS-ét az S-adenozil-metionin-szintáz gén promóterével fejeztették ki. Mint az 5. ábrán látható, mind a kukorica (ZmCYP), mind az Arabidopsis (At-gCYP) génjének fokozott működése következtében javultak az agronómiai bélyegek.

Jobb bokrosodás mellett több szem alakult ki. A nagyobb szemek üvegházban és szabadföldön is hozzájárultak a többletterméshez. A GM növényekben a CO2-asszimiláció hatékonyabban történt.

Image Text

Megújuló energiaforrásként a növényi eredetű alapanyagok különböző formában hasznosíthatók. A jelenlegi gyártási technológiák elsősorban a bioetanol keményítőből való előállítását részesítik előnyben. Ennek a megoldásnak ugyanakkor nyilvánvaló korlátai vannak, hiszen konfliktus keletkezik az élelmiszer-, illetve az energiacélú hasznosítás között, különösen rossz évjáratokban. Ezért a fejlesztések előterébe a cellulózalapú bioenergia, a bioetanol-előállítás gazdaságossá tétele kerül. Könnyen belátható, hogy a hektáronként megtermelhető biomassza növelése központi tényező ezekben a törekvésekben.

Így azok a gének, anyagcsere-folyamatok, amelyek megnövelik a növényi szervek méretét, szerepet kaphatnak a zöldtömegre nemesítés folyamatában. Egyetlen, az auxinhatás kialakításában közreműködő gén módosítása jelentős szervméret-növekedést eredményezhet, mint ezt a 6. ábra mutatja. Az auxinválasz 2 típusú faktora (Auxin Responsive Factor 2 – ARF2) transzkripciógátlóként funkciónál. Ha ez a gén mutáció következtében működésképtelenné válik, az jelentős növekedést eredményez a növény egészét tekintve.

Ez a funkcióvesztést eredményező mutáció sokirányú változást okoz, így a virágok rendellenessége, valamint részleges sterilitás is jellemzi ezeket a növényeket.

Image Text

A növényi szervek építőkövei a sejtosztódási és differenciálódási folyamatok eredőjeként keletkező sejtpopulációk. A szervméret kialakításában szerepet kap a sejtmegnyúlás is. Nehéz megérteni a növényi élet alapjait anélkül, hogy ne ismernénk a sejtek osztódását meghatározó géneket, fehérje komplexeket.

Különösen izgalmas kérdés, miként reagál a sejtosztódási apparátus a hormonális, fejlődési vagy akár környezeti behatásokra. Mint a 7. ábrán látható, a sejtosztódási ciklus négy, funkciójában eltérő fázisra bontható. Az S fázisban történik a DNS molekulák replikációja, az örökítő anyag megduplázódása. Az M fázis a kromoszómák kialakulásának és a leánysejtekbe történő eloszlásának a szakasza.

A két fő eseményre való felkészülés a G1 és G2 fázisokban zajlik. A növényi sejtciklusok kutatásának molekuláris és sejtbiológiai eredményeit alapul véve megállapítható, hogy számos, az evolúcióban konzervált szabályozási folyamat a növényekben is azonosítható, vannak ugyanakkor növényspecifikus tényezők is. Ezeket érdemes kiemelt figyelemmel kutatni.

Image Text

7. ábra. A növényi sejtek osztódási ciklusát szabályozó fontosabb fehérjék, valamint a hormonális és fejlődési behatások célpontjai, kapcsolódási pontjai ebben a szabályozási rendszerben: S fázis: DNSszintézis; M: mitózis; G1 és G2 fázisok; CDK: ciklinfüggő kináz; CYC: ciklin; RBR: retinoblasztóma homológ fehérje; E2F/DP: transzkripciós faktorok; PP2A: foszfatáz; KPR: CDK-gátló fehérje; CK:citokinin; SCR: scare crow transzkripciós faktor; SHR: short root transzkripciós faktor; Ca2+: kalcium; ANT: aintegumenta; ARGOS: auxin-regulated gene in organ size; AXR1: ubiquitin-activating enzyme1; → aktivációt szemléltet; ┬ gátlást jelez.

A bemutatott vázlat feltünteti az egyes fázisok elindításában, a ciklus előrehaladásában, illetve elhagyásában, valamint a sejtosztódási folyamat leállításában szerepet játszó fontosabb fehérjéket. Központi szabályozók a ciklin fehérjék, amelyek igen szép számban azonosíthatók, és fázisfüggő szerepeket töltenek be.

Az A és D típusú ciklinek a G1-S fázisok folyamataiban az auxin- vagy kinetinhatás közvetítésében vesznek részt. A ciklin-B1;1 és ciklin-B2;1 fehérjék a G2/M sejtekben mutathatók ki. A ciklinfunkciók foszforilációs módosítások eredményeként működnek. Így a ciklinfüggő kinázok (CDK), valamint a különböző foszfatázok (PP1, PP2A) szerepe egyértelműen igazolható. A CDK-fehérjék aktivitása is foszforilációfüggő, de ismeretesek gátló fehérjék (KRP), szintén szabályozó szereppel. A sejtciklusgének kifejeződése lehet állandó az egyes fázisokban, de vannak CDK-gének (CDKB1;1, CDKB2;1), amelyek magas aktivitást csak a G2 fázisban és a mitotikus sejtekben mutatnak. Ezen kinázok foszforilációs aktivitása is magas a G2/M sejtekben.

A G1-S fázisok közötti átmenet elindításában kulcsszerepet játszik a tumorszuppresszorként ismert emlős retinoblastoma-fehérje (pRb). Ennek a fehérjének a működési zavara rákos sejtburjánzáshoz vezethet, de a pRb szerepet játszik a kromatinszerkezet kialakításában, valamint a sejtek differenciálódásának szabályozásában is. A növényi sejtciklus kutatásának egyik igen fontos kérdése volt, hogy megtalálható-e a növényekben is ez az emlősökével rokon fehérje. Először kukorica-cDNS-bankban sikerült megtalálni azt a növényi gént, amely a ZmRBR fehérjét (Retinoblastoma-Related Protein) kódolja. Ezzel kezdetét vette a növényi retinoblasztóma-kutatás.

Érdekes eredményt hoztak a különféle növényekkel folytatott génizolálási munkák. Igazolást nyert, hogy míg a kétszikű növények (Arabidopsis, dohány, borsó, lucerna) egyetlen RBR génnel rendelkeznek, addig az egyszikű gabonafélékben (kukorica, búza, rizs) legalább két gén azonosítható. A rizs két génjét eltérő kifejeződési mintázat jellemzi: az OsRBR1 gén az osztódó sejtekben gazdag szövetekben mutat erős aktivitást, míg az OsRBR2 gént a sejttípustól független (konstitutív) kifejeződési mintázat jellemzi.

Mint a 7. ábra is szemlélteti, a növényi RBR fehérje szabályozó szerepe az E2F/DP transzkripciós faktorokkal történő kölcsönhatáson keresztül realizálódik. A foszforilálatlan RBR-fehérje a G1 sejtekben köti az E2F/DP faktorokat, és ezzel gátolja az S fázis génjeinek bekapcsolódását. Ha a CDKA+CYCD1/3 komplex foszforilálja az RBR fehérjét, felszabadul a kötésből az E2F/DP transzkripciós faktor-pár, és így aktiválni tudja azokat a géneket, amelyek az S fázis elindításához szükségesek. A foszforilált RBR fehérje kimutatható G2/M sejtekben is. A foszfátcsoport eltávolítását a PP2A foszfatáz végezheti. A 7. ábra rámutat néhány kapcsolódási pontra, ahol akár a növényi hormonok, akár a fejlődési szabályozók közvetlenül befolyásolhatják a sejtciklus folyamatát. Így például az Aintegumenta (ANT) – Auxin-regulated gene in organ size (ARGOS) – ubiquitin-activating enzym E1(AXR1) fehérjék az auxinhatást közvetítik a CYCD1;3 gén aktivációjához. Az ARGOS gén felfokozott aktivitása következtében az Arabidopsis növény levelei lényegesen nagyobbak, mint a nem transzformált növények esetében.

A növényi RBR fehérjék funkciójának megismerésében eszközként szolgálnak azok a GM sejtvonalak és növények, amelyekben csökkentett vagy megnövelt a működőképes RBR fehérje mennyisége. Példaként a 8. ábra bemutatja az S fázisú sejtek gyakoriságát, valamint a sejttömeget azokban a rizssejtvonalakban, amelyekben az OsRBR1 gén gátolt (antiszensz), illetve megnövelt kifejeződésű. Jól látható, hogy az RBR funkció mérséklése osztódást stimuláló hatást eredményez. Az Arabidopsis-transzformánsokkal végzett kísérletek szerint az RBR fehérje mennyiségének csökkentése az őssejtpopulációk megnagyobbodásához vezetett mind a gyökér-, mind a hajtásmerisztémák esetében.

Image Text

8. ábra. A retinoblastomahomológ fehérje génjének aktiválása gátolja az S fázisban levő sejtek számát, míg az antiszensz gén beépítésével előidézett kifejeződésgátlás növeli az S fázisos sejtek gyakoriságát. Az utóbbi módosítás sejtszuszpenziós kultúrában nagyobb sejttömeget eredményez. Az S fázisban levő sejtek 5-etinil-2′-deoxiuridin beépülésével mutathatók ki, ezt a sárga fluoreszcencia jelzi.


A fotoszintézis mint a növényi szervesanyag-termelés motorja

A fotoszintézis, mint egy természetes energia-átalakító folyamat, napfényt hasznosít, és ezzel csaknem ezerszeresére képes a légköri szénmolekulákat koncentrálni, kémiai energia, szénhidrátok formájában. Ezt az energiát hasznosítjuk akár élelmiszerként, akár fűtőanyagként. A növényi produkció alapja ez a komplex biofizikai és biokémiai folyamat, amelynek mechanizmusát egyre több ismeret segít megérteni.

Napjainkban a megújuló energiaforrások előtérbe kerülése még inkább indokolja, hogy a molekuláris eseményeket feltáró alapkutatások új energetikai technológiákat alapozzanak meg. Az alábbi rövid elemzésben csak igen vázlatos áttekintést tudunk nyújtani a fotoszintetikus apparátus fontosabb alkotóelemeiről és a lejátszódó reakciókról. Talán indokoltabb a fotoszintézis hatékonyságát javító lehetőségek elemzése, hiszen ezen keresztül nyílhat mód a növények biológiai produktivitásának optimalizálására.

A fotoszintézis folyamatai a kloroplasztiszokban, mint specializált sejtszervecskékben játszódnak le. A belső, tilakoid membránok rendszerében helyezkednek el azok a több alegységből álló fehérjekomplexek, amelyek a fény által működtetett fotoszintetikus elektronáramlás közvetítői. A 9. ábra szemlélteti ezeknek a fehérjéknek az atomi felbontású háromdimenziós szerkezetét.

A fotokémiai reakciók sorozata a klorofillok fényelnyelésével veszi kezdetét. Ezek a pigmentmolekulák az első és második fotokémiai rendszerek (PSI és PSII) fénygyűjtő komplexeiben találhatók, és a foton teljes energiájának elnyelése során energiagazdag, gerjesztett állapotba kerülnek. A gerjesztési energiát a PSII-, illetve PSI-reakciócentrumok abszorbeálják, ezekben töltésszétválás következik be, és lehetővé válik a vízből származó elektronok membránon keresztüli áramlása. A víz oxidációját Mn-tartalmú vízbontó enzim végzi, ennek során oxigén szabadul fel, és az elektronok az NADP+-t (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) NADPH-vá redukálják.

A hidrogénionok membránon keresztül való, a belső térből (lumen) a külső térbe (stroma) történő transzlokációjában részt vesz még a citokróm-b6f komplex, amely a plasztokinol oxidációját és a plasztocianin redukcióját végzi. A NADP+ redukcióját a ferredoxin-NADP+-oxidoreduktáz (FNR) katalizálja. A hidrogénionok felhalmozódása a lumenben a pH és ezzel együtt elektrokémiai potenciál különbségének kialakulását eredményezi a membrán két oldala között, s ez energiát biztosít az ATPszintáz aktivitásához. A Calvin-ciklus folyamán az ATP és az NADPH által biztosított kémiai energia a fénytől független CO2 megkötésében és redukciójában hasznosul.

Image Text

a) A fontosabb fotoszintetikus fehérjék transzmembrán szerveződése és a röntgenkristály szerkezete natív oligomerizációs állapotban: LHCII: fénygyűjtő komplex; PSII: második fotokémiai rendszer; Cyt b6f: citokróm-b6f komplex; PSI: első fotokémiai rendszer; ATP-szintáz enzim

b) A lineáris fotoszintetikus elektrontranszport és protontranszlokáció a fenti fehérjekomplexek közvetítésével. Az elektronok a víz bontásából származnak a membrán belső oldalán, és az NADP+-t NADPH-vá redukálják a membrán külső oldalán. A protonok transzlokalizációja az ATP-szintézist biztosítja (Eberhard–Finazzi–Wollman 2008)

A növényekben két lényegesen eltérő enzimrendszer működik a CO2 hasznosítása során. Az ún. C3 növényekben a RuBisCO (ribulóz-1,5-bifoszfát-karboxiláz-oxigenáz) enzim viszonylag kis hatékonysággal köti a CO2-gázt (3-10 molekula/másodperc/enzim); ezzel a reakcióval verseng az oxigénnel történő kölcsönhatás (fotorespiráció), amely 25%-os veszteséget okozhat a karboxilációval megkötött szén mennyiségében.

Az ún. C4 növényekben (pl. a kukoricában, a cirokban vagy a cukornádban) a foszfoenolpiruvát (PEP)-karboxiláz enzim működik, és a CO2-fixáció korai termékeként négy C-atomos oxálecetsav képződik. A fotoszintézis folyamatában felhasználható sugárzási spektrumot (400–700 nm) tekintve, a létrejött biomassza energiáját az elnyelt sugárzás energiájához viszonyítva megállapítható, hogy a C3 növényekben 9,4%, míg a C4 növényekben 12,3% az elméletileg maximális energiahasznosítás. Tekintettel arra, hogy a kloroplasztisz-DNS is módosítható génbeépítéssel, több próbálkozás történt a RuBisCO enzim alegységeinek kombinálására különböző növényekből. Az ilyen hibrid enzimek paraméterei nem bizonyultak jobbnak a donor növényekénél.

A RuBisCO enzim a levél összes fehérjemennyiségének 40%-át teszi ki. Mint a neve is jelzi, ez a fehérje kettős enzimfunkcióval rendelkezik. Reakcióba léphet CO2-dal és O2-nel. Az utóbbi, az oxigenáz aktivitásra épülő folyamatot fotorespirációnak (glikolátciklus) nevezik, mely a karboxilációs folyamatokkal verseng. Az oxigenázreakció eredményeként egy molekula glicerin-3-foszfát és egy molekula glikolsav-2-foszfát keletkezik. Mivel egy CO2 felszabadul minden két glikolsav-2-foszfát szintézisekor, 25% a veszteség a megkötött CO2-ot tekintve. Ez a hatás természetesen kimutatható mind a cukor, mind a zöldtömegelőállító képesség csökkenésében.

A fotorespirációból származó veszteség növekedésével kell számolni a hőmérséklet emelkedésekor vagy vízhiány esetén. Ennek a kedvezőtlen folyamatnak a hatását lehetett csökkenteni azzal, hogy a bakteriális glikolát anyagcsereútjának génjeit Arabidopsis növényekbe építették, így az enzimek a kloroplasztiszokban szintetizálódtak. Mint a 10. ábra igazolja, a transzformánsok levélmérete jelentősen megnőtt, és mind a hajtás, mind a gyökér tömege megnagyobbodott.

Image Text

Tekintettel a zöldenergia-igények jelentős megnövekedésére, a kutatók számos géntechnológiai lehetőséget vizsgálnak. Így a szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz (SBP-áz) enzim aktivitásának fokozása a GM dohánynövények leveleiben javította a CO2-asszimilációt, aminek következtében megnőtt a levelek tömege (11. ábra).

Image Text

11. ábra. A szedoheptulóz-1,7-biszfoszfatáz (SBP) enzim túltermeltetése GM növényekben javította A) a CO2-asszimilációt; és b) nagyobb zöldtömeget eredményezett. (Lefebvre et al. 2005)

A biokémiai folyamatok mellett a növény struktúrája, a levelek mérete, elhelyezkedése is jelentősen befolyásolja a fény hasznosulását és ezáltal a szervesanyag-produkciót. A növényi hormonok közül a gibberellinek vagy brasszinoszteroidok hatását érintő genetikai változások vezethetnek féltörpe, felálló levelű növények kialakulásához. A 12. ábra bemutatja a kontroll- és a GM rizsnövények fenotípusát. A rizs OsBRI1-génje egy membránfehérjét, brasszinoszteroid receptort kódol, amely rendelkezik egy leucinban gazdag régióval (LRR), és egy, a foszforilációt végző kinázzal (KD), valamint a membránban elhelyezkedő szakaszokkal (TM és JM). A génbeépítéshez a gén csonka változatát használták, így a gén terméke csökkent. A hormonérzéketlenség következménye a felálló típusú levelek kialakulása, ami 26%-os szemtermés-növekedéssel párosult.

Image Text

Bár a fotoszintézis a növényi szervesanyag-termelés alapfolyamata, az utóbbi évszázadokban elért termőképesség-növekedés csak minimálisan származik e biofizikai-biokémiai folyamat hatékonyságának a növeléséből.


Az élettani funkciók károsodása és az alkalmazkodás folyamatainak aktiválódása a kedvezőtlen környezeti hatások következtében

A klímaváltozás hatásainak megtapasztalása megnövekedett jelentőséget ad a növényi stressz biológiájának. A szélsőséges időjárási események gyakoribbá válása súlyos veszteségeket okoz a növényt nevelő gazdaembernek. Az aszály, a fagy vagy akár a belvíz az anyagcsere lényegi megváltoztatásával csökkenti a hasznosított növényi szervek növekedését, módosítja a fejlődés programját. A kártevők és a kórokozók szintén stresszállapotot hoznak létre, és igen súlyos termésveszteséget is okozhatnak. Akár az abiotikus, akár az anabiotikus stresszválaszok jellegzetességeit tekintjük, egyaránt megfigyelhetünk általános és specifikus növényi reakciókat.

A vízhiány okozta molekuláris és élettani történések példáján kívánjuk bemutatni a stresszreakciók molekuláris hátterének megismerésében végbement jelentős előrehaladást, amelyet a legújabb kutatási irányok biztosítottak. A stressztűrés genetikailag meghatározott sajátosság, ezért kiterjedt nemesítési programok szolgálhatják rezisztens növényfajták létrehozását. A rezisztenciát biztosító gének, anyagcsereutak felkutatása lehetővé teszi a nemesítés eredményesebbé tételét. Mivel a stresszellenállóságban igen nagy a genetikai variabilitás, érdemes a rezisztens genotípusokat azonosítani, és alapos jellemzésük révén maguktól a növényektől megtanulni azokat a védekezési mechanizmusokat, amelyek az alkalmazkodási képességek kialakításakor hasznosíthatók.

A szárazságérzékeny és -toleráns tenyészanyagok azonosítása többféle kísérleti módszerrel történhet. A szántóföldi kisparcellás vizsgálatok a termés alapján értékelik a szárazságtűrést. Esőárnyékoló segítségével ezek a mérések függetleníthetők az éppen aktuális csapadékellátottságtól. Ha a növényeket tenyészedényekben neveljük, akkor lehetőség nyílik a víz mennyiségének precíz beállítására, valamint a morfológiai és a fiziológiai paraméterek felvételezésére akár az egész tenyészidő folyamán. Ezt szolgálják a komputervezérelt, nagy teljesítményű fenotipizálási rendszerek, amelyek képalkotási technológiákkal rögzítik a növények méreteit, a levél hőmérsékletét vagy fotoszintetikus aktivitását. Az ilyen komplex stresszdiagnosztikai berendezések nagyszámú növény robotizált jellemzése révén sokban segíthetik a nemesítést.

Az ún. rhizotronok a gyökérrendszer reakcióinak követésére alkalmasak. Korlátozott vízellátás (20% talajnedvesség) mellett a búza hajtásának és gyökerének növekedése gátolt, és – a levélhőmérséklet emelkedésében megnyilvánulóan – mérséklődik a levelek párologtatása. A légzőnyílások, stomák bezáródása következtében a CO2-asszimiláció csökken, így a fotoszintézis hatékonysága, klorofillfluoreszcencia-mérésekkel nyomon követhetően károsul. A stomák záródása genotípusfüggő reakció, és hatással van a termőképességre. Ha egy genotípus szárazság alatt is nyitva tartja a légzőnyílásokat, akkor kisebb terméscsökkenés mutatható ki. Vízhiányos talajban a növény túlélése attól függhet, hogy képes-e a gyökérnövekedés fenntartására. A növény stresszválaszaiban központi szerepet tölt be az abszcizinsav (ABS) hormon.

A gyökér esetében az ABS-felhalmozódás segíti a növekedési képesség fennmaradását. A vízhiányban elszenvedett károsodásban jelentős tényező az ún. oxidatív stressz, mert lelassul mind a fotoszintetikus, mind a mitokondriális elektrontranszport, az elektronakceptor molekulák oxigénnel lépnek reakcióba, így hidrogén-peroxid-, illetve szuperoxidgyökök, mint reaktív oxigénszármazékok (ROS) keletkeznek. Az antioxidáns enzimek sorában a kataláz, a peroxidáz, a szuperoxid-diszmutáz (SOD), az aszkorninsav-peroxidáz megnövekedett aktivitása mutatható ki stressztűrő búzanövények leveleiben. A ROS károsító hatásukat kifejhetik membránlipidek peroxidációja révén, amelynek során erősen toxikus vegyületek (pl. 4-hidroxi-2-nonenál, metilglioxál vagy a malondialdehid [MDA]) képződnek.

A reaktív aldehidek méregtelenítésében több enzim is szerepet játszik, így a glioxalázok (I és II) vagy az aldo/keto-reduktázok. Az előzőekben ismertetett stressz-szereplők eltérő viselkedése jól követhető a különböző búzagenotípusok összehasonlító vizsgálatakor. A 13. ábrán erős összefüggést láthatunk az egyes genotípusok termése és vízhasznosító képessége között. A sor élén egy vad Aegilops faj és az arizonai Plainsmann genotípusok találhatók, a szárazság okozta igen mérsékelt terméskieséssel. Az ellentétes példát a távol-keleti Kobogumi fajta szolgáltatja.

Image Text

E két genetikai variáns összevetése – mind a fiziológiai, mind a génkifejeződési tényezők vonatkozásában – lehetőséget ad a toleranciát eredményező faktorok feltárására. A 14. ábrán láthatjuk, hogy a Plainsmann növények stómái nyitottabbak, és hatékonyabb a CO2-asszimiláció. A rezisztens növényekben lényegesen több fruktóz halmozódik fel. A cukrok, mint ozmoprotektánsok, a sejtek vízpotenciáljának negatív irányú eltolódását okozzák, ami segíti a víz felvételét és a turgor megőrzését. A Kobomugi növény szöveteiben fokozott lipidperoxidáció figyelhető meg, és a szuperoxid-diszmutáz enzim (SOD) nagyobb aktivitása jelzi az oxidatív stresszfolyamatok felerősödését. A rezisztens búza nagyobb gyökérzettel rendelkezik.

Image Text

14. ábra. A szárazságra adott stresszválaszban alapvetően eltérő két búzafajta főbb jellemzői. (Hoffmann–Cseuz–Pauk 2006)

A vizsgált élettani paraméterek egyértelműen szemléltetik, hogy a víz hiányából származó károsodások mérséklése többfaktoros, komplex védekezési rendszer működését igényli. Ezt a következtetést támasztják alá a DNS-chip vizsgálatok, amikor az aktivált és a gátolt gének kifejeződését az ozmotikus stressz körülményei között analizáljuk. A két búzafajta gyökereit 4 héten át tartó, 400 mOsm-os, 19% koncentrációjú polietilénglikol-6000 oldattal történt kezelést követően RNS-minták izolálására került sor.

A génkifejeződési adatokat az 1. táblázat foglalja össze. A kezelés első két hetében értékelt 10 000 gén aktivitása azt mutatja, hogy a Plainsmann fajta gyökereiben a gének 6,1%-a mutatott fokozott kifejeződést, míg a Kobomugi gyökerek esetében kisebb az aktivált gének száma (1,6%). A működésükben gátolt géneket tekintve is kimutatható hasonló jellegű változás. A kezelés későbbi fázisában csökken a reagáló gének aránya.

1. táblázat. Működésükben megváltozott gének gyakorisága szárazságstressznek kitett gyökerekben. (Sečenji et al. 2010)

Image Text

A genotípustól függő génkifejeződési mintázat eltéréseire mutat példát a 15. ábra. A glioxaláz enzim génje igen erőteljesen aktiválódott a Kobomugi növények gyökereiben, míg ez a gén nem reagál az ozmotikumra a Plaismann fajta esetében. Fordított a helyzet az egyik receptorszerű kináz génjének működését tekintve. A DNS-chip technológia és a ma már nagy kapacitású szekvenálási módszerek a genom egészét tekintve adnak információt a kulcsszerepet játszó génekről. Mint láthattuk, nagyszámú gént érintenek a stresszhatásokra adott válaszreakciók. Az egyes gének tényleges szerepét mutánsok, illetve transzgenikus növények vizsgálatával tisztázhatjuk.

Image Text

15. ábra. A fajtafüggő génexpresszió változása a búzagyökerekben szárazságstressz alatt, a kontrollhoz (1) viszonyítva. (Sečenji et al. 2010)

A szárazságtűrés kialakítása érdekében végzett sikeres génbeépítési kísérletek nagy száma is jelzi az intenzív kutatás méreteit. A transzgenikus stratégiák vagy a gén működésének felfokozásával, vagy a gén elhallgattatásával érik el a biológiai hatást. Az előzőekben említettük, hogy az oxidatív stressz következményeként a sejtekben lipidaldehidek képződnek, amelyek toxikus hatása hozzájárul a szárazság során kimutatható tünetekhez. A detoxifikáló képességgel rendelkező aldo/keto-reduktáz (AKR) enzim mennyiségének növelése lehet megoldás a növények teljesítőképességének javítására a stresszreakciók több változata esetében is. Példaként a 16. ábra bemutatja a lucerna-AKR enzimet túltermelő búzanövényeket a kontrollnövényekkel összehasonlítva, szuboptimális vízellátás mellett. Jól látható, hogy a hatékonyabb méregtelenítésnek köszönhetően a GM növények képesek kalászokat fejleszteni.

Image Text

A fentiekben bemutatott példák messze nem tették lehetővé napjaink növénybiológiájának átfogó, teljes körű bemutatását. A szubjektív alapon kiemelt témák talán érzékeltetni tudják azt a szemléletbeli változást, amelyet a molekuláris biológia, a genomika eredményezett a növények életének jobb megismerésében. Kívánatos lenne, hogy a biológia oktatása során az új szemlélet legfontosabb elemei, koncepciói megérintenék a fiatalokat, felkeltve érdeklődésüket a növénytudományok iránt.

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