DUDITS DÉNES
A NÖVÉNYEK
SZEXUÁLIS ÉLETÉNEK MOLEKULÁRIS TITKAI
A virágok szín-
és formagazdaságukkal gyönyörködtetnek. Nem csak esztétikai jelentőségük van
azonban: a bennük megbúvó bibe megporzásából születő magvak a fajfenntartást
szolgálják, s az emberi táplálkozás nélkülözhetetlen forrásai is. Az utóbbi
évtized molekuláris, sejt- és fejlődésbiológiai kutatásai a növények
életciklusának eddig ismeretlen rejtélyeit tárták fel. A
virágokban lejátszódó intim események molekuláris hátterének megismerése fontos
gyakorlati jelentőséggel bír, hiszen a növénynemesítés a géntechnológiai és
genomikai módszerek révén újabb lehetőségekhez jutott a virágzási idő
befolyásolására, új növényszaporítási eljárások kidolgozására, a betakarított
termés minőségének, táplálkozási értékének javítására.
I. BEVEZETÉS
Amikor ámulattal csodáljuk a tavasz és a nyár virágainak festői színeit, varázslatos formáit, nemigen gondolunk arra, hogy a búza, kukorica, napraforgó vagy repce virágainak parányi szervei, a termők és porzók, mennyire fontos szerepet játszanak a gazdaember által betakarított termés létrehozásában. A megtermékenyítésből származó magok az embrióval és a tápláló endospermium-szövettel nemcsak a faj fennmaradását biztosítják, hanem nélkülözhetetlen nyersanyagai élelmiszereinknek. A virágok megjelenésével, a magkötéssel beteljesedik a növényi élet ciklusa, és megtérül a növények nevelésére fordított emberi fáradság. A megtermékenyülést és a mag érését kísérő biokémiai, élettani folyamatok megismerése, az őket irányító gének jellemzése és izolálása nagy segítség lehet a növénytermesztő és a növénynemesítő számára a termés biztonságos megteremtésében.
A genetikai megközelítések lehetőségei jelentősen kiszélesedtek a funkcionális genomika módszertárának létrejöttével. A növényi DNS-állomány szekvenálásával precízebbé váltak a géntechnológiai beavatkozások, és új koncepciók szolgálják termesztett növényeink emberi célok szerinti nemesítését. A virágzás folyamatát és a termésképződést meghatározó gének szerepéről hasznos információt nyújthatnak a mutáns egyedek, amelyekben egy gén hibás működése folytán a felszínen megjelenő élettani vagy morfológiai sajátosságok megváltoznak.
A gének működésének felfüggesztésére, illetve fehérjetermékeik túltermelésére ad lehetőséget az izolált gének beépítése a növények génállományába, az ún. transzgénikus növények létrehozása. Ma már a gének izolálása és átalakítás utáni visszaépítése a gazdanövénybe mindennapi gyakorlat a növénybiológiai kutatásban. Érthetőek azok a törekvések, amelyek a hasznos agronómiai tulajdonságot eredményező génbeépítési eredményeket fel kívánják használni a fajta-előállító növénynemesítésben. Így azok a géntechnológiai stratégiák kerültek az érdeklődés középpontjába, amelyek megváltoztatják a virágzás idejét, biztosítják a magok kialakulását kedvezőtlen időjárási körülmények között is, illetve növelik a szemtermés vagy a gyümölcsök tápértékét, azaz innovációs és gazdasági értéket képviselnek.
A technológiai fejlesztések sikerességének elengedhetetlen feltételét jelentik a színvonalas alapkutatások, amelyek a virágzás és a magképzés folyamatainak mélyreható megismerésével nyújthatnak új ismereteket, hogy termesztett növényeink tulajdonságainak javítása révén segítsék az emberiség élelmiszerigényének kielégítését.
II. A VIRÁGOK TITKA
A növények szaporodásbiológiájával foglalkozó vizsgálódásunkat kezdjük a virágok pompájának csodálatával. A liliom fehér szirmai figyelmünket a barázdált bibére és a portokok gyűrűjére irányítják A kanna sárga sziromtölcsére titkos mélységek felé tereli képzeletünket. A kerti iszalag kihívó lila szirmai és kitárulkozása létfontosságú biológiai célt szolgál. Van Gogh Négy napraforgója a levágott, szikkadó száron a szenvedés és az elmúlás jelképe, amely minden élő elkerülhetetlen sorsa. A kerti eper virágai önmagukban is felkeltik érdeklődésünket, de a belőlük formálódó termések láttán szinte érezzük ízeik kavalkádját. Kevésbé látványosak, de az emberi élet szempontjából annál inkább figyelmet érdemelnek termesztett növényeink apró, külsőleg jelentéktelen virágai. Így van ez a mindennapi kenyerünket adó búza parányi kalászkáival is. Ha lefejtjük a pelyvaleveleket, csak akkor fedezhetjük fel az ágas-bogas bibét és a körülötte elhelyezkedő portokokat. Az egyszerű külső igen jelentős biológiai folyamatokat takar, amelyeknek végül is az egyik legfontosabb emberi táplálék létrejöttét köszönhetjük.
Jogosan merül fel a kérdés, hogy mennyire ismerjük a megtermékenyítés és a magfejlődés molekuláris titkait, hiszen a gazdaember majd egy évi munkájának eredményessége függ a szép, egészséges búzaszemek kialakulásától. A megválaszolandó kérdések száma végtelen; a tudomány örök feladata, hogy újabb és újabb módszerek kifejlesztésével folyamatosan bővítse azoknak az ismeretnek a körét, amelyek elősegíthetik a növénytermesztés sikerét. A mostani elemzés néhány kiragadott példával kívánja a molekuláris és sejtbiológia kínálta lehetőségeket szemléltetni.
III. A
NÖVÉNYEK ÉLETCIKLUSÁNAK FONTOSABB JEGYEI A BÚZA PÉLDÁJÁN
Az animáció képei kiemelik a búza egyedfejlődésének néhány jelentősebb állomását. Folyamatos körforgásról lévén szó, a ciklus kezdetéül önkényesen a csírázást választjuk. A földbe kerülő búzaszem nedvességet szív magába, és a nyugalmi állapotú embrió sejtjei megnyúlnak, majd osztódni kezdenek. Eközben az endospermiumban tárolt tartalék vegyületek biztosítják a növekedésnek indult szervek tápanyagellátását. Megjelenik a gyökér, majd a rügyhüvellyel (koleoptillal) védett rügyecske indul fejlődésnek. A talajból kibújó koleoptil felrepedve utat enged az első levélnek, amelyet a levelek sora követ. A növekedés vegetatív fázisában a hajtásmerisztéma osztódó sejtjei szolgáltatják a levélkezdeményezésekhez az új sejteket. A szárba szökkent búza merisztémájában egy bizonyos számú levélkezdemény kifejlődése után az új oldalmerisztémák már mint kalászkakezdemények jelennek meg. Később jól felismerhető a pelyva és toklász szöveti differenciálódása. A növények egyedfejlődési stratégiájának jellegzetessége, hogy az utódok létrehozására specializálódó redukált kromoszómaszámú mikro- és makrospórák a testi sejtekből alakulnak ki a portokban és a magkezdeményekben. A kiszabaduló pollenszemek a bibére kerülnek és elindítják a kettős megtermékenyítés folyamatát. Három nappal a búzapetesejt megtermékenyítése után jól felismerhető a parányi embrió, és megkezdődik a sejtes állapotba került endospermiumszövet kialakulása, illetve láthatjuk a degenerálódó ellenlábas sejteket. A mag kifejlődése során a növény életfunkcióinak középpontjába az utódot szolgáló folyamatok kerülnek. Szénhidrátok, lipidek és fehérjék felhalmozódását eredményezik az anyagcsere főbb eseményei. Ezek a makromolekulák nagy értéket képviselnek az emberi táplálkozásban. Miután kifejlődött az embrió, és a raktárak feltöltődtek, egy nyugalmi szakasz következik be a növény életében. A búzaszem érésének utolsó fázisában jelentősen csökken a víztartalom, egy védőfunkciót ellátó növényi hormon, abszicinsav szintetizálódik, és védelmet nyújtó fehérjék (hősokk-fehérjék vagy ún. LEA-fehérjék) jutnak szerephez. Ezek biztosítják számos molekula működőképességét a mag nyugalmi állapotában a kiszáradt szövetekben. Erre a védelmi rendszerre esetleg hosszabb ideig is szükség lehet, hiszen igen változó körülmények befolyásolhatják azt az időt, amikor a mag kedvező feltételek között nedvességhez jut, és elkezdődhet a csirázással egy új ciklus.
A búza-életciklus képein is láthattuk, hogy a mikro- és makrospórákat létrehozó ivarszervek a hajtásmerisztémákból kialakuló virágmerisztémában jönnek létre, és nincs elkülönült csírasejtvonal, mint az állatok esetében. A zebrahal példáján látható, hogy már az embriogenezis korai szakaszán felismerhetők az ivarsejtek előfutárai, az őscsírasejtek, amelyek az egész életciklus alatt a testi sejtektől elkülönülő csírasejt-populációt képeznek. Ezek a sejtek rendelkeznek a kromoszómaszámot csökkentő meiotikus osztódás képességével, és hozzák létre a petesejtet és a spermiumokat.
IV. MIKÉNT DÖNT A NÖVÉNY A
VIRÁGZÁS MEGKEZDÉSÉRŐL?
A fény szerepére hívja fel a figyelmet, hiszen a virágok megjelenésének idejét a nappalok és éjszakák hossza, a fotoperiódus befolyásolja döntően. A lúdfű (Ababidopsis) hosszúnappalos növény. Az ábrán látható, hogy ha elegendő a nappali órák száma, akkor nincs akadálya a virágzásnak, míg 10 órás megvilágítás mellett csak levélrozettát találunk: késik a lúdfű növényeken a virágok megjelenése. Fordított a helyzet a rizs esetében, amely rövidnappalos növény. A sok napfényes óra gátolja a bugák kialakulását, míg 10 órás megvilágítás esetén gazdag virágzatot hoznak a rizs növények
Izgalmas fejlődésbiológiai kérdés, hogy miként érzékelik a növények a nappalok hosszát, és milyen gének és fehérjék játszanak szerepet a virágzás folyamatának elindításában. A virágzás kezdetén megváltozott növények, illetve a hibás mutáns gének jellemzése vezetett a Constans (CO) gén kulcsszerepének felismeréséhez. Mielőtt ennek a mestergénnek a hatását tisztáznánk, célszerű kitérőt tenni és áttekinteni a növényi gének főbb strukturális és funkcionális elemeit.
A leegyszerűsített vázlat három fő részt különít el a növényi gént alkotó DNS-szakaszon belül: 1: a promoter szakasz, amely a gén működésének szabályozásáért felelős. A jellegzetes szekvenciamotívumokat, az ún. cisz elemeket tartalmazó régióhoz aktiváló vagy gátló fehérjék kötődnek, melyek befolyásolják, hogy milyen sejtben, szervben, mikor és milyen erősséggel történjen a gén átíródása (transzkripciója). 2: a kódoló régió irányítja a hírvivő mRNS kialakulását, amely alapul szolgál a gén által kódolt fehérje szintéziséhez. 3: a gént lezáró terminációs jel. A CO fehérjeintegráló, koordináló feladatot lát el azáltal, hogy szabályozza bizonyos virágzási gének aktivitását. Mint a képen látható, a CO gén működése napszakos ritmust mutat a megvilágítás hosszától függően. A CO fehérje által szabályozott egyik virágzási gén az ún. FL (Flowering Locus) gén, amelynek aktivitása csak hosszú megvilágítás mellett teszi lehetővé a virágzást, amikor elegendő mennyiségben képződik a CO gén terméke.
A Constans gén szerepéről megbízható információval szolgálnak az ún. transzgénikus növények. Az egyik beavatkozási lehetőség, hogy az izolált CO gén promoterét lecseréljük egy folyamatosan működő és erősen aktív szabályozó elemmel, majd az így létrehozott kiméra gént visszaépítjük a lúdfű génállományába. Ezt a műveletet nevezzük genetikai transzformációnak. A következő ábra igen érdekes eredményről tájékoztat. A vad típusú, nem transzformált növényekkel összehasonlítva a CO fehérjét nagyobb mennyiségben tartalmazó transzformáns növény hosszú nappalon korábban virágzik, és még rövid nappalos megvilágítás mellett is virágot hoz az új, mesterségesen kialakított gént hordozó növény. A lúdfű tesztnövénnyel kapott eredmények alapvetően új lehetőséget nyitnak a molekuláris növénynemesítés számára, hiszen a virágzás idejének befolyásolása jelentős gazdasági előnyökkel járhat. Gondoljunk arra, hogy az aszály okozta károk mérséklésének egyik lehetséges megoldása az, ha korai növényfajtákat termesztünk, amelyek túl vannak a virágzás és magkötés fázisán, mire a talaj víztartalékai teljesen kimerülnek.
Tekintettel a fény kiemelt szerepére a virágzás szabályozásában, indokolt a növényi fényérzékelő molekulákat felkutatni és a fény által működtetett jelátviteli folyamatokat megismerni. Sok-sok kísérleti tény igazolja a fitokrómok, vagyis a fényérzékelő fehérjék központi szerepét. A fitokróm fehérjék rendelkeznek egy fotoaktív (tetrapirrol) kromofor molekulával és a fehérjék foszforilációját végző kináz régiókkal. A fitokrómok a vörös, illetve a távoli vörös tartományban képesek fényt elnyelni, és így két, spektrálisan különböző formában léteznek. A fitokróm Pr formája vörös (red) fényt, a Pfr formája távoli vörös (far red) fényt nyel el. A két forma visszafordíthatóan átalakulhat egymásba. A két forma visszafordíthatóan átalakulhat egymásba. A Pr forma biológiailag inaktív; minden élettani hatásért, mint a csírázás elindítása, a csíranövények zöldülése, a Pfr forma felelős. A hosszúnappalos lúdfű esetében a működőképes fitokróm A fehérje hiányában a mutáns növények később virágoznak. Ezzel szemben a rövidnappalos rizs hosszúnappalos körülmények között is bugát hoz, ha nincs fitokrómfunkció egy mutáció (Se5) következtében. Külön figyelmet érdemel, hogy a Se5 mutáns növények elvesztették fotoperiodus iránti érzékenységüket, és még 24 órás megvilágítás mellett is virágoznak. A klímaváltozás körülményei között ezek a kutatási eredmények kiemelt jelentőségűek lehetnek, hiszen a gének ismeretében, a géntechnológia módszereit felhasználva, a növénynemesítő fajtáit eltérő éghajlatú területeken is el tudja terjeszteni.
A fény mellett a hőmérsékleti viszonyok szintén döntően meghatározzák a virágzás folyamatát. Fajonként eltérő hőösszeg szükséges a generatív fázis megkezdéséhez. Több faj igényli az alacsony hőmérsékleti hatást, a vernalizációt a virágzáshoz. A lúdfű esetében 6 héten át tartó +4oC-os hideg kezelés már biztosítja egy a virágzást gátló fehérje (FLC) génjének elhallgattatását, és így a virágok megjelenését. Ha mutáció következtében működésképtelenné válik a vernalizációs VRN1 fehérje, akkor hatástalan a hideg kezelés. Ez a fehérje szekvenciától független DNS-kötő képességgel bír, és megakadályozza a virágzást gátló (FLC) gén működését. A vernalizáció jelenségének kutatásában egyre inkább az érdeklődés középpontjába kerülnek az ún. epigenetikus jelenségek és a kromatin szerkezetét meghatározó fehérjekomplexek. A DNS nukleotid szekvenciájában tárolt genetikus információ mellett jelentősége van azoknak a sejtszintű memóriáknak, amelyek a sejtosztódások sorozatán át megőrzik a gének aktív vagy inaktív állapotát biztosító molekuláris struktúrákat. A kettős szálú DNS-molekulák a hiszton fehérjékkel nukleoszómába szerveződve alakítják a kromatinszerkezetet, amely lehet nyitott, illetve szorosan összecsomagolt. A kromatin zárt vagy nyitott állapota szerint változik a gének működésének, aktivitásának lehetősége. Mind a DNS kémiai módosítása (metilációja), mind a hiszton fehérjék megváltoztatása (acetilációja) a kromatin átstrukturálódását eredményezheti. Ezen túl speciális fehérjekomplexek, mint például a polycomb csoport fehérjéit tartalmazó szabályozók kitüntetett szerepet játszanak a fejlődési gének aktivitásának gátlásában. Így a vernalizációs gének egyike a VRN2 fehérjét kódolja, amely szintén a polycomb csoporthoz tartozó represszor, és részt vesz az FLC gén kifejeződésének gátlásában.
További kísérleti példák is megerősítik, hogy a növény életciklusának vegetatív fázisában, amikor a hajtás növekszik és sorra jelennek meg a levelek, a virágzási program génjei gátolt állapotban vannak, és ezen gátlás megszűnése indítja el a generatív fázist, a virágok megjelenését. A következő ábra egy igen érdekes fejlődési mutánst mutat be. A genetikai hiba következtében a fiatal, 15 napos lúdfű csíranövények a vegetatív növekedési fázis kihagyásával idő előtt hoznak virágot. Ez a „virágzó embriómutáns” sokat elárul a növények fejlődési stratégiáját jelentő molekuláris folyamatokról. Miután sikerült izolálni a hibás gént, és kikövetkeztetni a kódolt EMF fehérje szerkezetét, kiderült, hogy az is a polycomb csoporthoz tartozik, és szerepe a kromatin átstrukturálódásához köthető
V. A VIRÁGCSODÁK MESTERGÉNJEI
Miután a hajtásmerisztéma átalakult virágmerisztémává, elindul a virág szerveinek kialakulását meghatározó genetikai program. A következő ábra vázlatos képet ad a virágot alkotó szervekről, amelyek körkörös elrendezésben, szigorúan meghatározott számban és helyen alakulnak ki. Kérdés, hogy milyen gének működnek a virágban. A rekombináns DNS-módszerek számos stratégiát ajánlanak a virágban kifejeződő gének azonosítására. A biológiai rendszer komplexitása szükségessé teszi, hogy átfogó képet nyerjünk a génkifejeződési mintázatról. A funkcionális genomika ennek érdekében használja a DNS-chiptechnológiát. A technológia segítségével egy robot segítségével akár 20 ezer génmintát is el lehet helyezni egy mikroszkóp tárgylemezén. A rendszer lehetővé teszi a felvitt DNS-minták azonosítását a később elvégzendő hibridizáció után. Ha a levél-, illetve virágspecifikus géneket kívánjuk megtalálni, akkor kétféle fluoreszcens festék jelenlétében a levélből és virágból izolált mRNS felhasználásával ún. kópia-DNS-eket (cDNS) szintetizálunk. A kétféle cDNS-molekula populáció keverékét a tárgylemezen elhelyezett génmintákhoz hibridizáljuk, amikor is a szétválasztott DNS-szálak megtalálják komplementereiket. Ezt követően egy lézerleolvasó azonosítja a fluoreszcens jel alapján, melyek a zölden világító, levélspecifikus gének, illetve a pirosan fluoreszkáló virágspecifikus gének. A sárga jel azokat a géneket mutatja, amelyek mind a két szervben aktívak Mivel egy nemzetközi genom-együttműködés keretében a lúdfű teljes DNS-állományának meghatározták a nukleotid sorrendjét, a komputerprogramok segítségével in silico megbecsülhető a gének száma. Az Arabidopsis hozzávetőlegesen 25 ezer génnel rendelkezik. Tekintettel a virágban működő gének nagy számára, még további kiterjedt kutatásokra van szükség, hogy ezeknek a géneknek a szerepét tisztázni lehessen.
Korábban már láthattuk, hogy a virág szervei igen szigorú rend szerint helyezkednek el, és számuk is fajra jellemző. Az Arabidopsis virágmutánsok részletes tanulmányozásával fel lehetett térképezni a virágszervekért felelős funkciókat és az azokat meghatározó géneket. Ezek a kutatások igazolták, hogy hasonlóan az állatokhoz, például az ecetmuslicához (Drosophila), a morfológiai struktúrákat, a szervek kialakulását, a test formálásának programját a növényekben is az ún. homeotikus gének irányítják. A homeotikus mestergénekre jellemző egy 183 bázispárból álló ún. „homeobox” szekvenciaszakasz, amely egy specifikus DNS-kötő képességgel rendelkező polipeptidet, az ún. homeodomaint kódolja. A homeotikus gének termékei, hasonlóan más, a génkifejeződés szabályozásában résztvevő fehérjékhez, koordináló szerepet töltenek be. A sejtek helyzetétől függő funkcionális programot határoznak meg azáltal, hogy különböző gének molekuláris kapcsolójaként működnek.
Az Arabidopsis virágszerveit érintő homeotikus mutációk alapján három funkció (A, B, C) ismerhető fel. Az A funkcióért felelős gének, mint például az AP (Apelata) 2 gén, a két külső körön elhelyezkedő csésze- és sziromlevelek kialakulását szabályozzák. Ha mutáció következtében elvész az A funkció, akkor termők és porzók jelennek meg a csésze- és sziromlevelek helyén. A B funkció génje, például az AP3 gén, a sziromlevelek megjelenése mellett a porzók kifejlődésének szabályozásában is részt vesz. Az AP3 gén mutációja folytán termők találhatók a sziromlevelek és porzók helyén. A C funkció génje, az AG (Agamous) gén szükséges a porzók és a termő kialakulásához, mutációja eredményeként a virág csak csésze- és sziromlevelekkel rendelkezik.
A következő képsorozat valós megjelenésükben mutatja be a homeotikus mutációk eredményeként kialakult bizarr virágstruktúrákat. A virágok formája és színe természetesen megváltoztatható a homeotikus génekkel végzett génbeépítési kísérletekkel is. A következő ábrán új, transzgénikus gerberavirág-variánsokat láthatunk, amelyek vagy a homeotikus génműködés fokozása, vagy a gén elhallgattatása eredményeként alakultak ki. Mindenki ízlése szerint dönthet, hogy melyik változatot találja érdekesnek.
VI.
MEGTERMÉKENYÍTÉS ÉS EMBRIÓFEJLŐDÉS IN PLANTA ÉS IN VITRO
A növényi élet beteljesedésének nagy eseménye a megtermékenyítés és az utódszervezet kialakulása a virág specializált szerveinek és sejtjeinek közreműködésével. A portok belsejében található a spóratermelő archesporium (pollenzsák), itt képződnek a mikrospóra anyasejtek. A kromoszómák számának feleződéséhez vezető meiotikus osztódás során alakulnak ki a haploid mikrospórák, amelyek érése a pollenszemek kialakulásához vezet. A bibére került pollenszemek csírázását követően kifejlődik a pollentömlő, és benne a generatív sejt osztódásával két spermasejt és egy vegetatív mag jön létre. A női ivarsejtek differenciálódása a virágos növények embriózsákjában zajlik le. Az embriózsák-anyasejt redukciós osztódással makrospórákat hoz létre, melyek egyike lesz a embriózsák-sejt. Ennek magja három osztódási szakasz során teszi lehetővé a petesejt, a segítő sejtek és az ellenlábas sejtek kialakulását. A központi sejt magjainak egybeolvadásával az embriózsák másodlagos, diploid magja jön létre. A kettős megtermékenyítés egyrészt elvezet a petesejt és spermasejt magjának egybeolvadásához, és kialakul a diploid kromoszómakészlettel rendelkező zigóta. Emellett a másik spermasejtmag fuzionál a központi sejt magjaiból származó másodlagos maggal, és így triploid endospermium-sejtmag keletkezik. A megtermékenyítésnek ez a két parallel lejátszódó folyamata szintén jellegzetesen növényekre jellemző fejlődésbiológiai esemény, amelynek folytatásaként egyidejűleg megy végbe az embrió kifejlődése és a tápláló endospermium-szövet szerveződése.
A megtermékenyítésből származó zigóta szigorúan meghatározott mintázatot követve osztódik és alakul ki, ezt mutatja az Arabidopsis embrió példája. A nyolc sejtből álló embrióban már bizonyos morfológiai és funkcionális differenciálódás figyelhető meg. Az alsó csírafüggesztő 4 sejtje mellett a későbbi embriót létrehozó sejtek szolgálnak kiindulási alapként az embrió szerveződéséhez. Mint az ábra színei jelzik, a sziklevél eredetét jelentő sejtek már ebben a korai fázisban azonosíthatók. Ugyanígy a hipokotil szövet sejtjei is nyomon követhetők. A szívstádiumú embrióban már felismerhetők a későbbi gyökér sejtjei. A gyökérmerisztéma-sejtek még korábban, a gömbstádiumú embrióban lokalizálhatók. A hajtásmerisztéma sejtjeinek megjelenésével a torpedóstádiumú embrióban már egyértelműen kialakul az a polaritás, amely végig, a növény egész élete során jellemzi a növény növekedését, és fejlődésének fontos sajátossága.
Az egyszikű búza vagy kukorica esetében a korai embriógenezist kísérő sejtosztódási mintázat nem olyan szabályos, mint azt az Arabidopsis példáján láttuk. Az alábbi ábrán a búza ivarszervei láthatók. Egy magkezdeményről készült metszeten megtaláljuk a korai osztódások fázisában lévő zigótát, az endospermium-magokat. A következő kép a búzaszem kialakulásának későbbi szakaszát ábrázolja, amikor az embrió méretében már nagyobb, és az endospermium sejtfallal rendelkező sejtekből épül fel. Mind az embrió gyarapodása, mind az endospermium feltöltődése meghatározó jelentőségű a termés mennyisége és minősége szempontjából. A növény a magas biológiai értékű, illetve energiát hordozó molekulákat a termésben halmozza fel, és így az utód igényeinek kielégítése válik a funkciók központi szereplőjévé. A fotoszintetikus folyamatok során képződött szacharóz a fejlődő magba szállítódik, és az invertáz enzimek által végzett hidrolízisből származó glukóz építőelemként szolgál a keményítő szintézishez. Mind az amilóz, mind az amilopektin szénhidrát nemcsak élelmiszerként, hanem ipari nyersanyagként is hasznosíthatók. A termés biológiai és élelmezési értékét a raktározott fehérjék mennyisége és aminosav-összetétele határozza meg. A szállító edénynyalábokon a nitrogén aszparagin és glutamin aminosavak formájában kerül a fejlődő magba. A búzaszem raktározott fehérjéi közül a prolaminok vízben oldódnak, kénben gazdag változatuk a g-gliadin. A nagy molekulatömegű, ún. HMW fehérjék jelentősen befolyásolják a kenyér sütőipari sajátosságait.
Fejlődésbiológiai és biotechnológiai szempontból figyelmet érdemelnek a növényi lombikbébik előállítására tett sikeres kísérletek. A petesejt és spermasejt elektromos sokkal kiváltott fúziója után a zigóta osztódásai során hogyan fejlődik ki mesterséges táptalajon az embrió, amelyből aztán teljes értékű kukoricanövény nevelhető fel. Ez az in vitro rendszer lehetőséget nyújt az embriogenezis igen kezdeti folyamatainak tanulmányozására, továbbá alapot szolgáltat új genetikai beavatkozásokhoz, akár a kromoszomális, akár a citoplazmás tulajdonságok jobbítása érdekében.
VII. NÖVÉNYI EMBRIÓK
MEGTERMÉKENYÍTÉS NÉLKÜL
Az egyedfejlődési stratégiák összevetésekor korábban már rámutattunk néhány növényekre jellemző folyamatra. Ezek sora bővíthető azzal az érdekességgel, hogy véglegesen differenciálódott testi, ún. szomatikus sejtekben - például a levélsejtekben - elindítható az embriógenezis programja, és ún. szomatikus embriók nevelhetők fel teljesen függetlenül az ivaros megtermékenyítés eseményeitől. A növényeknek ez a képessége valóban egyedülálló fejlődésbiológiai rejtély, melynek molekuláris háttere kevésbé ismert. A jelenség szorosan összefügg a növények stresszhatásokkal szembeni védekezésével. Mintha egy túlélési stratégia részeként a növény gondoskodni próbálna utódok létrehozásáról akkor is, ha nincs lehetőség a virágzásra. A szomatikus embriogenezis jelenségét először sárgarépa sejtkultúrákban figyelték meg. A lucerna példáján vázoljuk a folyamat néhány kulcslépését. A levélből enzimkezeléssel kiszabadított mezofill sejt igen komoly stresszhatásnak és sérülésnek van kitéve, hiszen emésztéssel eltávolítjuk a sejtfalat. Így jön létre az ún. protoplaszt, amelyet csak membrán határol. A tenyészoldatban hamar újraszintetizálódik a sejtfal, és a növényi hormon hatására a sejtek osztódni kezdenek. A biológiai hatásban kiemelt szerepe van egy auxinanalógnak, a 2,4-diklorfenoxiecetsavnak (2,4-D). Alacsony koncentrációban adva ezt a növekedést szabályozó vegyületet, a sejtek megnyúlnak, a kloroplasztiszok épek maradnak, és az osztódás során keletkező közel egyforma leánysejtek további osztódásaik során organizálatlan kalluszszövetet hoznak létre. Ezzel szemben magas dózisú 2,4-D hatására a sejtek sűrű citoplazmájában a kloroplasztiszok gyorsan degenerálódnak, és aszimmetrikus osztódás következik be, hasonlóan a zigóta első osztódásához. Az így kialakuló polaritás alapot ad az embriógenezis folyamatának megvalósulásához, egészen hasonló fejlődési fázisokat követve, mint ami az ivaros megtermékenyítésből származó embriók esetében figyelhető meg. A szomatikus embriókból közvetlenül növényeket nevelhetünk fel az in vitro tenyészetekben, illetve felhasználhatók mesterséges magok előállítására. Többféle technológiát is kidolgoztak az ilyen embriók felhasználására vetőmagként. Az egyik eljárással a szomatikus embriók kiszáríthatók, majd becsomagolhatók vagy gél anyagba ágyazhatók. A mesterséges magok használata különösen nagy értékű növények esetében lehet gazdaságos. A növények klónozásának ez a módszere szerepet kaphat például a heterózishatás rögzítésében.
A növényeket tanulmányozó molekuláris és sejtbiológusok igen széleskörű kutatásokat végeznek annak tisztázására, hogy milyen folyamatok vezetnek a testi sejtek átprogramozásához és az egyedfejlődési program újraindításához. Nyilvánvalóan nagyszámú gént érint a szomatikusból az embriogén sejtállapotba történő átmenet. A stresszreakciók szerepe mellett elengedhetetlen a sejtek osztódásának aktiválása. Több kísérleti eredmény is felhívja a figyelmet a kromatin szerkezetében bekövetkező átrendeződések jelentőségére. A egy valóban meglepő furcsaságot láthatunk. Egyetlen homeotikus gén, a Wuchsel gén működésének átmeneti fokozása a transzgénikus lúdfűnövényben csodát művel, és a gyökércsúcsok helyén embriók jelennek meg. Ez a gén természetes szerepében a hajtás- és virágmerisztémában, illetve az embriózsákban fejeződik ki, továbbá szerepet tulajdonítanak a Wuchsel fehérjének a sejtek típusának, sorának meghatározásában.
Nemcsak embriók, de endospermium is kialakulhat megtermékenyítés nélkül bizonyos gének hibás működése következtében. Ha tudatosan keresünk olyan mutánsokat, amelyek kasztrált, porzótlanított virágaiban magkezdemények találhatók, akkor azok különösen érdekesek lehetnek az ivaros folyamatok mélyebb megismerése szempontjából. A következő ábra egy mutáns lúdfű becőtermését mutatja, amelyben beporzás nélkül kifejlődött magkezdemények láthatók. Az ilyen magkezdemények tüzetesebb vizsgálata kimutatja, hogy a mutáció következtében endospermium fejlődik ki. Az is megfigyelhető, hogy embrió nem alakul ki a „megtermékenyítés nélküli endospermium”, az ún. fie mutánsban. Ma már az Arabidopsis mutánsok génjei a molekuláris genetikai markerek és a genom szekvencia adatok alapján azonosíthatók. Így derült fény arra, hogy a fie fehérje (Fertilization Independent Endospermium) szintén a Polycomb csoport tagja, és a kromatin zárt struktúrájának fenntartásában van szerepe. Így egy újabb példával gazdagodtunk, amely megerősíti, hogy a növényi fejlődési program megvalósulásában a kromatin-szerkezeti változások kiemelt fontosságúak.
VIII. A BIBE
ÉS A PORTOK VILÁGÁTÓL AZ EGÉSZSÉGES ÉLELMISZEREKIG
A virágzást, a megtermékenyítést és a magkifejlődését megvalósító molekuláris folyamatok áttekintésének befejezéseként érdemes végiggondolni, hogy a növények ivarszerveiben lezajló események milyen sokféle hatással vannak mindennapi életünkre. A táplálékként elfogyasztott növényi szervek milyensége közvetlenül befolyásolhatja egészségi állapotunkat. Egyre tudatosabban törekszünk élelmiszereink biológiai értékének javítására. A fejlődő világ népei súlyos betegségektől szenvednek a szegényes táplálkozás következményeként. A vas vagy a vitaminok hiánya népbetegségek okozója lehet. Így a növénynemesítés kiemelt feladata, hogy termesztett növényeinket jobbítsa az egészségesebb élelmiszerek biztosítása érdekében.
A génsebészetet felhasználó transzgénikus stratégiák közül igazi sikertörténet a rizs b-karotin tartalmának növelése. Az A-vitamin elővitaminjának szintézisében több enzim és azok génjei vesznek részt. Az Ingo Potrykus által vezetett kutatócsoport a karotinszintézis három génjét hordozó génkonstrukciókat állított elő. Miután a gént beépítették a rizsbe, a mesterségesen összeépített DNS-molekulák működőképes enzimek szintézisét biztosították a rizsszemekben. Így jött létre az ún. aranyrizs. Ha elterjed ennek az új genotípusnak a termesztése, akkor remény lehet arra, hogy az A-vitaminhiány okozta bajok, mint például a gyermekkori vakság, kevesebb szenvedést okoznak. Kész géntechnológiai stratégiák, sikeres kísérletek igazolják, hogy gének beépítésével javítható a tokoferolok E-vitamin hatása vagy növelhető a növények C-vitamin tartalma.
Az előadásban számos fontos alapkutatási eredményről esett szó. A jelentős szellemi és anyagi erőforrásokat igénylő, sokszor nemzetközi összefogással megvalósuló kutatómunka nem öncélú. Az új ismeretek végső soron életünk minőségének javítását szolgálják, és remény van arra, hogy az emberiség élni is fog a kínálkozó lehetőségekkel, hiszen a környezetbarát mezőgazdasági gyakorlat és az egészséget óvó élelmiszerek megtermelése egyaránt igényli olyan növények nemesítését, amelyek kedvező tulajdonságaik révén segítik ezeket a törekvéseket.
|
||
|
|
|
Bibliográfia |
|
Bewley, J.
D., Hempel, F. D., McCormick, Zambryski, P.: Reproductive Development, In: Buchanan, B., Gruissem,
W., Jones, R. (szerk.), Biochemistry and Molecular Biology of Plants,
American Society of Plant Physiologists, Rockville, Maryland, 2000: 988-1043. Dudits D.:
Új korszak a növénybiológiában és
-nemesítésben, In: Magyar Tudomány, 2000/5: 537-554. Dudits D.:
A génkutatás - genomika
szerepvállalása a növények nemesítésében, In: Magyar Tudomány
2003/10: 1263-1272. Dudits D.,
Heszky L.: Növényi biotechnológia
és géntechnológia, Agroinform Kiadó, Budapest, 2003 [2.
kiadás]. Dudits D.:
A sejtosztódás, differenciálódás és
az egyedfejlődési program szabályozásának molekuláris alapjai,
In: Balázs E., Dudits, D. (szerk.): Molekuláris Növénybiológia, Akadémiai
Kiadó, Budapest, 1999: 249-298. Fehér A.,
Pasternak T. P., Dudits D.: Transition
of somatic plant cells to an embryogenic state, In: Plant
Cell, Tissue and Organ Culture, 2003/74: 201-228. Flaus, A.,
Owen-Hughes, T.: Mechanisms for
ATP-dependent chromatin remodelling, In: Current Opinion in
Genetics and Development, 2001/11: 148-154. Gustafson-Brown,
C., Savidge, B., Janofsky, M.F.: Regulation
of the Arabidopsis floral homeotic gene APETALA 1, In: Cell,
1994/76: 131-143. Izawa, T.,
Oikawa, T., Tokutomi, S., Okuno, K., Shimamoto, K.: Phytochromes confer the photoperiodic control of
flowering in rice (a short-day plant), In: The Plant Journal,
2000/22: 391-399. Kranz, E.,
Lörz, H.: In vitro fertilization
with isolated, single gametes results in zygotic embryogenesis and fertile
maize plants, In: The Plant Cell, 1993/5: 739-746. Levy, Y.
Y., Mesnage, S., Mylne, J. S., Gendall, A. R., Dean, C.: Multiple role of Arabidopsis VRN1 in
vernalization and flowering time control, Science, 2002/297:
243-246. Moon, Y.
H., Chen, L., Pan, R. L., Chang, H. S., Zhu, T., Maffeo, D. M., Sung, Z. R.: EMF genes maintain vegetative development by
repressing the flower program in Arabidopsis, In: The Plant
Cell, 2003/15: 681-693. Ohad, N.,
Yadegare, R., Margossian, L., Hannon, M., Michaeli, D., Harada, J. J.,
Goldberg, R. B., Fischer, R. L.: Mutations
in FIE, a WD polycomb group gene, allow endosperm development without
fertilization, In: The Plant Cell, 1999/11: 407-415. Onouchi,
H., Igeno, M. I., Périlleux, C., Graves, K., Coupland, G.: Mutagenesis of plants overexpressing CONSTANS
demonstrates novel interactions among Arabidopsis flowering-time genes,
In: The Plant Cell, 2000/12: 885-900. Schwarz-Sommer,
Zs., Saedler, H., Sommer, H.: Homeotic
genes in the genetic control of flower morphogenesis in Antirrhinum majus,
In: Hartley, D. A. (szerk.), Cellular Interactions in Development, IRL Press
Oxford University Press, 1993: 242-256. Trewavas,
A.: Signal perception and
transduction, In: Buchanan, B. Gruissem, W. and Jones, R.
(szerk.): Biochemistry and Molecular Biology of Plants, American Society of
Plant Physiologists, Rockville, Maryland, 2000: 930-987. Walbot,
W., Evans, M. M. S.: Unique
features of the plant life cycle and their consequences, In:
Nature Reviews/Genetics, 2003/4: 369-379. Weigel,
D., Meyerowitz, E. M.: The ABCs of
floral homeotic genes, In: Cell, 1994/78: 203-209. Yanovsky,
M. J., Kay, S.A.: Living by the
calendar: how plants know when to flower. In: Nature
Reviews/Molecular Cell Biology, 2003/4: 265-275. Ye, X.,
Al-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., Potrykus, I.: Engineering the provitamin A (beta-carotene)
biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm,
In: Science 2000/287: 303-305. Yu, D.,
Kotilainen, M., Pöllänen, E., Mehto, M., Elomaa, P., Helariutta, J., Albert,
V. A., Teeri, T. H.: Organ identity
genes and modified patterns of flower development in Gerbera hybrida
(Asteraceae), In: The Plant Journal, 1999/17: 51-62. Zuo, J.,
Niu, Q. W., Frugis, G., Chua, N. H.: The
WUSCHEL gene promotes vegetative-to-embryogenic transition in Arabidopsis,
In: The Plant Journal, 2002/30: 349 |