KLEMENT ZOLTÁN
ÖNVÉDELEM A NÖVÉNYVILÁGBAN
Történelmünk folyamán gyakran a népek sorsát befolyásoló növényi járványos betegségek pusztítottak, amelyek éhínséget, halált és népek vándorlását okozták. Ma már általánosan ismert, hogy ezeket a növényi betegségeket kórokozó gombák, baktériumok vagy vírusok okozzák. Az emberi és állati szervezetekhez hasonlóan a növények is képesek a kórokozók ellen aktív módon védekezni. A növények sajátsága, hogy egy-egy sejten belül többféle védekezési mechanizmus dolgozik egyszerre. Az előadás ezeket a mechanizmusokat mutatja be.
I. AZ ÁLLATI ÉS NÖVÉNYI IMMUNREAKCIÓK ÖSSZEHASONLÍTÁSA
Az emberiség történetén súlyos, történelemformáló növényi járványok vonulnak végig. Az ókori járványokról már Jóel próféta könyvében (Ke. 400) olvashatunk: „Elpusztíttatott a mező, gyászol a föld; mert elpusztíttatott a gabona; kiszáradt a must; kiapadt az olaj. Elsenyvedtek a magvak barázdáik alatt, elpusztultak a gabonás házak, összedőltek a csűrök; mert kiaszott a gabona.” (Jóel 1,10; 1,17 )
Történelmi jelentőségű volt az 1800-as évek közepén, az Európán végigsöprő burgonyavész járvány, amit a Phytophthora infestans nevű gomba okozott, amikor is csak Írországban több mint 300 ezer ember halt éhen, és az éhínség miatt másfélmillió ír vándorolt ki Amerikába. De gondoljunk csak a közelmúltban hazánkban is berobbant, alma- és körtefákat pusztító baktériumos tűzelhalás betegségre, amely a legszigorúbb karanténintézkedések ellenére is három év alatt az egész országra kiterjedt. A városi ember az üzletekben leginkább csak az egészséges, szép gyümölcsökkel és zöldségekkel találkozik, és nem is gondol arra, hogy a termés egyharmada vagy gyakran még nagyobb hányada a szántóföldön marad, mert a különböző betegségek miatt értéktelenné válik. Ez azt jelenti, hogy termékeinket szinte rendszeresen, közel 30%-ban a különböző gomba-, baktérium- vagy vírusbetegségek teszik tönkre.
Az emberek általában tudják, hogy az állatokhoz hasonlóan a növények is megbetegszenek, az azonban már kevéssé ismert, hogy a növények sem passzív módon tűrik el a betegséget, hanem aktív módon védekeznek a kórokozók támadásával szemben. Nézzük meg ezek után, hogyan védekezik a növény? Ennek bemutatására a növénykórokozó baktériumkapcsolatokat használom, mert erről a kapcsolatról tudunk a legtöbbet, módszertanilag a baktériumok a legkönnyebben kezelhetők, és azért is fontosak, mert ezek ellen növényvédő szerekkel nem tudunk védekezni. De legfőképpen azért ezzel a témával foglalkozunk, mert ez a hivatásom: a baktériumos növénybetegségek kutatása, és mert ezeket a védekezési mechanizmusokat laboratóriumunk világszerte az elsők között írta le.
Nem kerülhetem el, hogy egy rövid összehasonlítást tegyek az emberi és állati, valamint a növényi immunrendszer között. Bár a növények és az emlősök védekezési rendszere (immunreakciói) különböző, mégis több közös vonás fedezhető fel közöttük. Ilyen közös jegy például, hogy mindkét esetben két különböző védekezési rendszer működik. Az állatvilágban megkülönböztetnek egy „veleszületett vagy természetes immunitást”, ami a növényeknél az „eredendő vagy általános (nem-specifikus) védekezésnek” felel meg, és egy „szerzett vagy adaptív immunrendszert”, amit a növényeknél „fajtaspecifikus hiperszenzitív (túlérzékenységi) reakciónak” nevezünk. Jelentős különbség azonban az, hogy a védekezésben részt vevő sejtek az emberi és állati szervezetben nem a fertőzés helyén, hanem távolabb eső szervekben (csontvelő, nyirokszervek, csecsemőmirigy stb.) képződnek. Vagyis nem a megtámadott sejt védekezik, hanem a védekezésre speciálisan kiképzett, gyakran memóriával is rendelkező „rendőrök”, úgynevezett limfociták, makrofágok stb., melyeket a véráram szállít a fertőzés helyére. A növényvilágban ilyen keringési rendszer nincsen, a védekezés jóval egyszerűbb, mint az állati. Ugyanis minden növénysejt közvetlenül önmaga védekezik, mivel ugyanabban a sejtben mindkét védekezési rendszer párhuzamosan, közel egy időben működik. Ha ezeket a védelmi gátakat a kórokozó áttöri, akkor képessé válik a szövetek inváziójára és a különböző mérgező anyagok nagy mennyiségű termelésére, ami a tipikus betegségtünetek kialakulásához vezet.
Amikor készültem előadásomra, eszembe jutott egy magyar származású professzor, Karl Maramaros emlékezetes előadása, aki elektronmikroszkópiával foglalkozott. Azzal kezdte előadását, hogy bemutatott egy aránylag szürke tengerparti strandot a szálloda erkélyéről fényképezve. Majd e semmitmondó kép után, kinagyítva egy kis részletet a képből, egy csodálatos, napozó nőt láthattunk – a professzor ezzel jelezte, hogy ha belemegyünk a részletekbe, akkor milyen gyönyörű látványban lehet részünk. Én ugyan nem fogok ilyen megkapó képeket bemutatni, de azért megkísérlem ezt a módszert úgy alkalmazni, hogy a makroszkópos megjelenéstől egészen részletekbe menően, a molekuláris történésekig követjük a folyamatokat.
A növények két fontos védekezési rendszerét, az általános, nem-specifikus és a specifikus ellenállóképességet összehasonlítva a következőket állapíthatjuk meg.
1. Az elsőre jellemző, hogy minden, a növény számára idegen organizmus szaporodását gátolja. Ennek a tünetmentes védekezésnek van egy korai, 1-3 óra alatt kialakuló formája, amit tudományos néven Korai Indukált Rezisztenciának (Early Induced Resistance, EIR) hívunk, és egy kései, 6 napig tartó formája, amit Késői Indukált Rezisztenciának (Late Induced Resistance, LIR) neveztünk el.
2. A specifikus ellenállóképesség csak genetikailag meghatározott kórokozó-növény kapcsolatokban működik, és mind a növénysejt, mind a kórokozó halálával jár együtt. Ezért hívjuk „hiperszenzitív (túlérzékenységi) reakciónak”.
Az a kórokozó, amely a fogékony növényben „kikerüli” vagy képes „átlépni” ezeket a védekezési módszereket, szinte akadálytalanul tovább szaporodik, és nagy mennyiségben termeli a baktériumfajtól függő toxinokat, enzimeket és további mérgező vegyületeket, amelyek ezután a különböző betegségtünetek kialakulásáért felelősek. Lássuk ezeket a mechanizmusokat egyenként!
A levelek felületén számos mikroorganizmus, kórokozók és nem-kórokozók egyaránt landolnak és tanyáznak. Ez a hely még nem alkalmas a kórokozók felismerésre: ahhoz a mikroorganizmusoknak a növényi szövetbe, illetve a sejtközötti járatokba kell jutniuk. A sejtközötti járatokba a baktériumok a nyitott légzőnyílásokon, paraszemölcsökön (lenticellákon) vagy sebzéseken keresztül jutnak. Ebben a sejtközötti labirintusban a növényi sejtek felületét egy vékony, tápanyagokban gazdag folyadékhártya borítja. Minden mikroorganizmusnak elsődleges feladata a táplálékszerzés és a szaporodás. Ez a növényi szövetben a legtöbb mikroorganizmus számára biztosított lenne, ha ebben a növényi védekezési mechanizmusok nem gátolnák meg. Ezek hiányában még a nem-kórokozó (szaprofiton) mikroorganizmusok és az alkalomra váró (opportunista) kórokozók is képesek lennének a növényszövetet tápanyagként felélni, és így a növényi életet lehetetlenné tenni. Feltételezhetően ezért alakult ki már a növényi élet földi megjelenésekor az általános, nem-specifikus indukált rezisztencia.
II. AZ ÁLTALÁNOS, NEM-SPECIFIKUS ELLENÁLLÓKÉPESSÉG
Ha belegondolunk ennek az általános, eredendő védekezési mechanizmusnak a fontosságába, csakhamar rádöbbenhetünk arra, hogy ennek hiányában az emberiség nem létezne. Ugyanis ha az általános védekezési rendszer nem biztosította volna a növények életét a mikroorganizmusokkal szemben, akkor növények hiányában az állati és az emberi élet sem fejlődhetett volna ki. Azért hívjuk ezt a védekezési mechanizmust általánosnak, mert minden növényben már eredendően megvan ez a képesség, és azért nevezzük nem-specifikusnak, mert nem csak a kórokozók, hanem a nem-kórokozók is előidézik, az indukált rezisztencia kifejezés pedig arra utal, hogy ez a védekezés csak a mikroorganizmusok jelenlétében alakul ki. Kísérletileg bizonyítottuk, hogy az általános ellenállóképesség a növény fehérjeszintézisétől függ. Ebből adódik, hogy a fiatal, életerős levelekben nagyon gyorsan, 1-2 óra alatt kialakul, míg idősebb levelekben lelassul, a sárguló levélben pedig már egyáltalán nem működik. Feltételezhetően az általános rezisztencia hiánya is hozzájárul a sárguló, őszi levelek gyors lebontásához.
Olyan szélsőséges körülmények között, amikor az általános védekezési mechanizmusok már nem működnek, még az eredetileg rezisztens növények is áldozatul esnek a mikroorganizmusoknak. Szép példa volt erre egy kubai élményem. Ebben az országban nem olyan nehézkes a vásárlás, mint nálunk. Nálunk ugyanis az emberek jó része elmegy valamelyik nagy szupermarketbe, és ott megveszi a kisuvikszolt, ragyogó, válogatott gyümölcsöt, vagy éppen káposztát - nem úgy, mint Kubában, ahol házhoz hozzák az árut. Így történt, hogy egyik délután megérkezett egy teherautónyi káposzta, leöntötték a nagy bérház udvarára azzal, hogy a lakóközösség szétossza egymás között. Mivel Kubában nem sietnek el semmit, az emberek abban maradt, hogy majd „mañana” (holnap). Másnap reggel nem volt mit szétosztani, mert a szubtrópusi, szélsőséges klímában a káposzta bűzös illatok kíséretében szétfolyt. Ez az eset számomra élő példa volt arra, hogy a lágyrothadás kórokozó baktériuma az Erwinia carotovora ilyen szélsőséges körülmények között, ha már a növény nem tud védekezni, milyen gyorsan és tömegesen fel tud szaporodni.
Szélsőségesen alacsony hőmérsékleten, 10 OC alatt az általános rezisztencia gyengén vagy már egyáltalán nem működik.Ez a körülmény ad lehetőséget egyes alkalomra váró opportunista patogéneknek az őszi lehűlések alkalmával a tömeges felszaporodására és járványkeltésre, például a paprikatermésen.
Az általános, nem-specifikus védekezési mechanizmus létezésének első leírása két magyar kutató (Lovrekovich és Farkas, 1965) nevéhez fűződik.Ők a dohánylevél egyik felét hővel elölt baktérium vizes keverékével kezelték, míg a másik, kontroll levélfelet csak vízzel. Majd 24-48 óra múlva mindkét levélfelületet felülfertőzték a dohányvész kórokozójával. A kísérlet tanúsága szerint a betegségtünetek csak a kontroll, nem előkezelt levélfélen jelentkeztek. Ez a kísérlet azt bizonyítja, hogy a „vakcinált” levélfélbe juttatott elölt baktériumsejtek indukáltak, megindítottak egy olyan védelmet, amely egyben a későbbi fertőzéstől is megóvta a növényt. Ezt az alapkísérletet laboratóriumunk továbbvizsgálta, és a világon először bizonyította az általános, nem-specifikus védekezési rendszer működését kórtani, élettani és részben molekuláris szinten.
Az általános védekezési mechanizmust a baktérium felszíni molekulái (lipopoliszacharidok, flagellin stb.) indukálják. Ezeket a molekulákat a növény sejthártya-fehérjéi, az úgynevezett receptorok (érzékelők) azonosítják. Bonyolult biokémiai úton üzenetek jutnak el ahhoz az általános, védekezést beindító génhez vagy génekhez, amelyek aktiválódva olyan hidrogénperoxid (H2O2) molekulák termeléséhez vezetnek, amelyek a sejtközötti térbe jutva meggátolják az ott tanyázó baktériumok továbbszaporodását. Továbbá olyan növényi sejtfalvastagodást hoznak létre, amelyek a baktériumsejtet becsomagolják, immobilizálják: „mozgásképtelenné” teszik.Ez a jelenség hasonlít az állati szervezetben képződött falósejtek munkájához.
III. A SPECIFIKUS VÉDEKEZÉSI MECHANIZMUS: A HIPERSZENZITÍV REAKCIÓ
Ha kimegyünk a gyümölcsösbe, akkor gyakran tapasztaljuk, hogy egyes fák betegek, ugyanakkor a mellettük álló másik fajta egészséges. Miért van ez így? Nyilván azért, mert a szépen viruló fajta ellenálló az adott betegséggel szemben. Ennek oka az, hogy az ellenálló fajta rendelkezik olyan fajtaspecifikus védekezési mechanizmussal, amely a betolakodó kórokozót vagy nem hagyja szaporodni, vagy egyszerűen elpusztítja. Az ilyen növényeket betegség-ellenálló vagy egyszerűen rezisztens fajtáknak hívunk.
Gyakran előfordul azonban az is, hogy a korábban rezisztens fajta egyszer csak megbetegszik. Ilyenkor új kórokozótípusok vagy rasszok jelennek meg a gyümölcsösben. Ma már tudjuk, hogy mind a fajtarezisztenciát, mind a kórokozótípus változását gének határozzák meg. Ebből alakult ki a gén a génnel szembeni rezisztencia elmélete, miszerint csak olyan kórokozó képes fertőzni egy adott növényfajtát, amelynek a kórokozó-képességért felelős géntermékei, mint kulcs a zárban, megfelelnek a fajtára jellemző rezisztencia géntermékeknek. Ezért is hívjuk ezt a genetikailag szabályozott védekezési mechanizmust specifikusnak. Mivel mind a patogenitást (kórokozóképességet), mind a betegségrezisztenciát több gén is szabályozhatja, a növények ellenállóképessége változatos képet mutat. Minden olyan kórokozó-növény kapcsolatban, amelyben összeférhetetlenség (inkompatibilitás) van, a növény ún. hiperszenzitív (túlérzékeny) reakcióval válaszol. Ennek az a lényege, hogy a növénysejt a kórokozó indukálására néhány óra alatt elpusztítja magát, annak érdekében, hogy a kórokozót is elpusztítva a betegség továbbfejlődését megakadályozza, lokalizálja.
A baktériumos növénybetegségek esetében ezt a védekezési mechanizmust először laboratóriumunk tárta fel, és írta le a világ egyik legrangosabb tudományos folyóiratában, a Nature-ben 1963-ban. Ma már módszereink segítségével a világ számos laboratóriumában molekuláris szinten vizsgálják a növényvilágnak ezt a kifinomult védekezési rendszerét.
A betegség lokalizációját jelentő gyors növényi sejtelhalás egy-egy, vagy csak néhány sejtben játszódik le, ezért a természetben a folyamat szabad szemmel gyakran nem látható. Láthatóvá tehetjük azonban, ha a hiperszenzitív reakciót több növénysejtben egyszerre indítjuk el. Ezt úgy érjük el, hogy a levelet olyan töménységű baktérium-szuszpenzióval injekciózunk, amely növénysejtenként legalább 1-10 baktériumsejtet tartalmaz. Ilyen esetben a hiperszenzitív reakció az injekciózott levélszövet minden egyes növénysejtjében egy időben zajlik le, aminek eredményeképpen a szinkronizált folyamat jól mérhető, és a gyors sejtelhalások jó látható, nagyobb szöveti nekrózisként jelennek meg. Ezt a módszerünket a növénynemesítők világszerte rutinszerűen alkalmazzák a betegség-ellenálló fajták kiválogatására.
A hiperszenzitív nekrózis 8-12 órán belül már jól látható szövetelhalás formájában jelenik meg. Az ábra jól mutatja, hogy sem a nem-kórokozó baktérium, sem a dohány saját kórokozója nem indukálta a HR-t, de valamennyi más növény kórokozója igen. Ebből láthatjuk, hogy a HR-t szinte valamennyi növénykórokozó baktérium indukálja minden olyan növényben, amelyik nem a saját gazdanövénye.
A HR lefolyását 3 jól elkülöníthető fázisra oszthatjuk: indukciós fázis, latencia fázis és sejtkollapszus.
1. Indukciós fázis. A fertőzést követően a virulens, aktív anyagcserét folytató baktériumsejtek a sejtközötti járatokban a növénysejthez tapadnak. Itt a növényi környezetet felismerve a kórokozásért felelős génjeiket aktiválják. Így először a hiperszenzitivitásért és patogenitásért felelős (hrp) gének aktiválódnak, segítségükkel az ún. III. típusú gén-produktum szállítási rendszert építik ki. Ez egy injekciós fecskendőhöz hasonlítható baktérium-képződmény, amelynek csövén keresztül a többi, kórokozásért felelős géntermék az Avr vagy Vir fehérjéket a növényi sejtfalon át a növénysejtbe injekciózzák. Érdekes megemlíteni, hogy ez a III. típusú szekréciós rendszer több ember- és állatkórokozó, például a Salmonella, a Shigella, a Yersinia és a patogén coli baktériumra is jellemző. Itt is tetten érhető az, hogy az evolúció folyamán több állatkórokozó baktérium a növénykórokozó baktériumoktól tanulta el a betegséget megindító (elicitor) fehérjék sejtbe juttatásának technikáját.
2. Latencia fázis. Ebben a fázisban a baktérium jelenlétére nincsen tovább szükség, mert a HR megindításáért felelős géntermékek (Avr és Vir fehérjék) már a növénysejtbe jutottak. Ebben a szakaszban nem lehet látni tüneti elváltozásokat, de a sejten belül jelentős fiziológiai változások játszódnak le. Ezeket a változásokat már a növényi ún. rezisztencia (R) gének irányítják. Ezeket az R géneket az Avr fehérjék (elicitorok) mozgósítják. Ennek módja még számos részletében nem ismert.
Az egyik legfontosabb fiziológiai változás a beteg növénysejtre jellemző „toxikus szabadgyökök” vagy más néven „reaktív oxigénfajták” (ROS) felhalmozódása. Az egészséges növénysejt a működéséhez szükséges energiát biztosító alapanyagot, a glükózt a színtestecskékben (kloroplasztiszokban) állítja elő napenergia, víz- és széndioxid-molekulák segítségével. Az így képződött glükóz a mitokondriumokban, oxigén jelenlétében energiává alakul át, amely szükséges az életfolyamatok fenntartásához. Eközben káros reaktív oxigénfajták (O2.- és H2O2) keletkeznek, amelyek rendkívül reakcióképesek, vagyis gyorsan kötődnek a biológiailag fontos anyagokhoz: a fehérjékhez, nukleinsavakhoz vagy lipidekhez, megváltoztatva azok eredeti funkcióit. Az egészséges sejtekben ezen szabadgyökök toxikus hatását az antioxidánsok semlegesítik.
3. Sejtkollapszus. Az egészséges sejtben fennálló egyensúlyi helyzet a reaktív oxigéngyökök és az antioxidánsok között a beteg növénysejtben felbomlik, és a káros oxigén szabadgyökök túlsúlyba kerülve megindítják a „programozott sejthalált”. Alapjaiban hasonló folyamatok játszódnak le az egészséges, illetve fertőzött állati sejtekben is. A sejthalál kialakulásában fontos szerepet játszik az a tény, hogy a szabadgyökök jelenlétében a sejtmembránok károsítása (lipid peroxidációja) következik be, amely visszafordíthatatlan membrán áteresztőképesség-növekedéssel jár. Különösen fontos szerepet játszik a vakuolum sejtmembránjának (tonoplaszt) „lyukacsossá” válása. A vakuolum, mint a növényi sejt „szemetes ládája”, rengeteg mérgező fenolvegyületet tartalmaz. Ezek a sejtmérgek az életet hordozó citoplazmába ömlenek, ahol további mérgező anyagok keletkezése által a citoplazma gyors pusztulását okozzák. Mivel a szabadgyökök a plazmamembránt is károsítják, ezen keresztül a képződött sejtmérgek a sejtközötti járatokba ömlenek, ahol az ott lévő baktériumokat is elpusztítják. Ezzel a hiperszenzitív reakció befejeződik, a kórokozó, és így a betegség is lokalizálódik. Ezt úgy is mondhatjuk, hogy a növény fertőzött sejtjei önmagukat elpusztítva és feláldozva a kórokozót is megölik. Ezért lett az előadás címe: önvédelem a növényvilágban.
Még egyszer felhívom a figyelmet
arra, hogy az egész folyamat genetikailag szabályozott. Ez azt jelenti, hogy a
különböző avr gének jelenléte vagy éppen hiánya szabályozza az egyes kórokozók
gazdanövény-körét. A „gén a génnel szembeni rezisztencia” elmélete szerint a
növény a hiperszenzitív reakció segítségével csak akkor tudja megvédeni magát,
ha olyan R gént vagy géneket hordoz, amely megfelel a kórokozó avr génjének.
IV. A KÓROKOZÓ INVÁZIÓJA A FOGÉKONY NÖVÉNYBEN
Az evolúció során kiválogatódott kórokozó baktériumok képessé váltak egyes növényfajok vagy fajták inváziójára, miután túlélték a növény korábbiakban ismertetett védekezési mechanizmusait. Ezek a baktériumok már rendelkeznek azzal a képességgel, hogy „közömbösítsék” vagy „átlépjék” a növény általános védekezési mechanizmusát, továbbá elkerüljék hiperszenzitív védekezési mechanizmusát. Miután ezek a védekezési mechanizmusok a továbbiakban már nem állják útjukat, a baktériumok tömeges, ún. logaritmikus szaporodásba kezdenek azért, hogy elárasztva a szöveteket, különböző betegségeket okozzanak.
Ahhoz, hogy a kórokozók a tömeges szaporodásukat biztosítsák, a következő feltételeknek kell eleget tenniük: 1./ Meg kell gátolniuk a HR indukcióját. 2./ Biztosítaniuk kell a növényen belüli szaporodáshoz szükséges környezeti feltételeket, mint például a szükséges tápanyagokat és a sejtközötti járatok telítődését vízzel.
A HR gátlásának molekuláris szintű megértése a jelenlegi kutatások izgalmas fejezete. Habár ennek mechanizmusát még pontosan nem ismerjük, néhány kísérlet arról tanúskodik, hogy a baktériumsejtben nem csak avr, hanem vir gének is működnek, amelyek termékei a hrp gének által kiépített „szállító csatornákon” (transzport mechanizmuson) keresztül a megtámadott növénysejtbe jutnak, ahol eddig nem ismert módon, az Avr fehérjék és R gének vagy termékeik kapcsolódását, és ezáltal a HR indukcióját akadályozzák. Érdekes, hogy egyes avr gének a fogékony kapcsolatban, mint vir gének is funkcionálhatnak, vagy fordítva: egyes vir gének a HR indukcióban is részt vehetnek. Annyi mindenesetre megállapítható, hogy a fogékonyság is csak genetikailag szabályozott növény-baktérium kapcsolatban jöhet létre.
A növény sejtközötti járataiban történő tömeges baktériumszaporodáshoz szükséges különleges környezeti feltételeket a patogén saját maga alakítja ki. Az egészséges növény sejtközötti folyadékának pH-ja savas, ami nem kedvez a baktériumok szaporodásának. Ezért egyes eddig kevéssé ismert baktériumfehérjék képesek a növénysejt ion csatornáit úgy szabályozni, hogy a növénysejtből az intercelluláris térbe K+ ionok és onnan a sejtbe H+ ionok áramoljanak. Ez az ion-kicserélődés biztosítja a sejtközötti tér semleges 7-7.5 pH-ját, ami már optimális a baktériumosztódáshoz.
Ez az ion-kicserélődés más membránváltozást is okoz, aminek eredménye az, hogy a növénysejtből bizonyos baktérium-tápanyagok, de elsősorban glükóz áramlik az intercelluláris térbe. Ez a folyamat jelentősen hozzájárul a baktériumok további szaporodásához. Ugyanis glükóz jelenlétében a baktériumsejtek extracelluláris poliszacharid (EPS) burkot képeznek. Ez az EPS baktérium-köpeny rendkívül fontos szerepet tölt be a baktériumsejtek tömeges felszaporodásában, a szövetek inváziójában, ugyanis több feladatot lát el. Megvédi a baktériumot a különböző környezeti károsodásoktól (pl. kiszáradás, aktív oxigénformák semlegesítése, UV-sugárzás stb.), de talán legfontosabb feladata a vízzel telt környezet biztosítása, illetve a baktérium- és a növénysejtfal közvetlen érintkezésének meggátlása. Ez a távoltartás teszi lehetővé azt, hogy a növénysejt ne vegye észre a kórokozót, és ne indítson ellene támadást.
A foltosodás
Az egészséges növényben a sejtközötti járatok biztosítják a légcserét. Az érintkező növénysejtek felületén csak egy vékony folyadékhártya van, amely ugyan lehetővé teszi a baktériumok kezdeti szaporodását, de a tömeges inváziót nem. Ehhez arra van szükség, hogy a sejtközötti járatok vízzel telítődjenek. Ezt a vízzel telítődést segíti elő a baktérium EPS burka. Ugyanis az EPS burok egyik fontos alkotórésze az alginát, amely aktív vízmegkötő képességgel rendelkezik. Így az alginát megköti a vizet a környezetből (a harmatcseppből, a környező sejtekből, a párás levegőből), miáltal a sejtközötti járatok vízzel telítődnek. A fertőzött szövetek vízzel telítődése okozza az első, baktériumfertőzésre jellemző tünetet, a zsírfoltosodást. Azért hívjuk zsírfoltosodásnak, mert az ilyen szövetet a fény felé tartva a papíron lévő zsírfolthoz hasonlóan áttetszővé válik. (Csak mellékesen jegyzem meg, hogy az ipari alginátot, amit a tengeri algákból nyernek ki, vízmegkötő képessége miatt számos területen használják: így például a kozmetikában, a cukrásziparban, gyógyászati kenőcsökben.)
Érdekes, hogy a zsírfoltosodás stádiumában a növénysejtek még funkcionálisan egészségesnek mondhatók. Mi okozza akkor a szövetpusztulást? Tudjuk, hogy a hiperszenzitív nekrózis megindításához, a növénysejt önpusztításához, a baktérium- és a növénysejtfal közvetlen érintkezése szükséges. Ezt a közvetlen érintkezést az EPS burok fizikailag lehetetlenné tette. Éppen az érintkezés elmaradása biztosította ezidáig a zavartalan baktériumszaporodást. Kísérleteink azt bizonyítják, hogy a zsírfoltokban a sejtelhalás csak akkor kezdődik meg, amikor a baktériumsejtek már felélték a glükózt, ami az EPS baktérium-burok képződését biztosította. Így az új baktériumsejtek már „meztelenül”, burok nélkül születnek. Az ilyen „meztelen” baktériumsejtek már képesek arra, hogy a fertőzött szövet sejtjeivel érintkezve megindítsák a hiperszenzitív reakcióhoz hasonló tömeges sejtpusztulást. Ennek köszönhető az oly gyakori levélfoltosság betegség kialakulása. A burokvesztés miatt létrejött szövetelhalás fontos bizonyítéka az is, hogy ha a glukóztermelést gátoljuk - például azzal, hogy sötétbe helyezzük a növényeket -, akkor a növényekben zsírfoltosodás nem alakul ki, hanem csak gyorsan megjelenő nekrózist tapasztalunk. Sötétben ugyanis a fotoszintézis gátlódik, és ezért nem termelődik glukóz, ami lehetetlenné teszi a burokképződést, és ezzel a zsírfoltok kialakulását.
A szövetekben már nagy számban jelen lévő kórokozó enzimeket, toxinokat, hormonokat és más káros anyagokat termel, amelyek a különböző betegségtünetekért felelősek. Attól függően, hogy a kórokozó baktériumfaj milyen másodlagos káros anyagokat termel, a tünetek nagyon változatosak lehetnek. Így bizonyos baktérium-toxinok sárgulásokat, elhalásokat; a pektin-bontó enzimek lágyrothadásokat, hervadásokat; a baktérium termelte vagy indukálta növényi hormonok pedig növényi tumorokat, torz növekedést okozhatnak.
A kajszi-gutaütés
Példaképpen a kajszi-gutaütés kóroktanát mutatom be, annál is inkább, mert ennek megismerésében laboratóriumunknak jelentős szerep jutott.
Sokan ismerik a kajszi-gutaütés betegséget, amit 30 évvel ezelőtt még élettani okokra vezettek vissza. A köznyelv nagyon találóan gutaütésnek (apoplexiának) nevezi a kórképet, mert hiszen az előzőleg viruló kajszifák hirtelen, szinte napok alatt elpusztulnak. Munkatársaimmal sikerült bizonyítani, hogy a gutaütés nem élettani, hanem fertőzéses betegség, amiért egyrészt egy baktérium, a Pseudomonas syringae pv. syringae, másrészt a Cytospora cincta gomba a felelős. Ezek a vizsgálatok egyben érdekesen szemléltetik, hogyan jut el egy alapkutatás olyan távoli gyakorlati eredményekhez, mint például a mesterséges hógyártás azokon a területeken, ahol kevés a síelésre alkalmas hó, vagy akár egy új fagylaltgyártási technológiához.
A mesterséges fertőzések bizonyították, hogy a kórokozó a csonthéjas gyümölcsfákon a kéreg, de főleg a kambium pusztulását okozza. A betegség hazánkban kétféle formában jelentkezik: 1. rákos sebek keletkeznek; 2. ha a rákos seb a fertőzött ágat vagy törzset átéri, akkor a felette levő egészséges részek, sokszor egész ágak elhalnak. Az utóbbi esetben jelentkezik az ismertebb gutaütés-szindróma.
A betegség évi lefolyásának tanulmányozása során kitűnt, hogy a rákos sebek csak akkor fejlődnek ki, ha a fertőzéseket a téli hónapokban végeztük. Egy tanulmányutunk alkalmával feltűnt, hogy az Adriai-tengerpart közelében lévő kajszifákon a gutaütés nem jelentkezett, viszont minél inkább haladtunk északnak, a tünetek annál erőteljesebbek voltak. Ezért mesterséges fertőzéseket végeztünk három különböző klimatikus zónában. Az Adria közelében, ahol a téli hőmérséklet csak –1, -2 OC volt, ott kéregelhalások nem alakultak ki. Mostarnál -5 OC-nál már 10-15 cm-es rákos sebek jelentkeztek, Szabadkánál pedig, ahol –15OC alá süllyedt a téli hőmérséklet, közel egyméteres kéregelhalások alakultak ki. Ezek a fertőzési kísérletek jól bizonyították a téli fagy erőssége és a tünetek közötti kapcsolatot. Felmerült tehát a kérdés, milyen módon befolyásolja a hideg a gutaütés kifejlődését? Megállapítottuk, hogy a hideg nem közvetlenül, hanem csak közvetve befolyásolja a tünetek alakulását. Ugyanis a kéregelhalás csak akkor fejlődött ki, amikor a baktérium a fertőzést követően 5-10 napig 0 OC feletti hőmérsékleten még fel tudott szaporodni, majd ezután a hőmérséklet –5 OC, -10 OC alá süllyedt. Ezek a kísérletek azt bizonyították, hogy nem a hideg az, ami hajlamossá teszi a kajszifát a fertőzésre, hanem fordítva, a baktérium teszi hajlamossá a szöveteket az elfagyásra. Hogyan lehetséges ez?
A baktériumok szaporodás közben a cukrokat felhasználják, és így a kéregszövet, beleértve a kambiumot is, cukortartalma lecsökken. A kéregszövet alacsony cukortartalma fagyérzékennyé teszi a kajszifát. A baktériumfertőzött kajsziágak kérgében a cukorszint a nem fertőzött ágakhoz viszonyítva 19-48 %-kal csökkent, ami elegendő volt a fertőzött szövetek fagykárosodásához.
Mindezek ismeretében most már érthetőbbé válik a kajszi-gutaütés teljes kórfolyamata:
1. A Pseudomonas syringae baktérium képes a csonthéjas gyümölcsfák kéregszövetében télen felszaporodni.
2. Szaporodás közben a cukrokat hasznosítja, így a lecsökkent cukorszint miatt a jégkristályok keletkezése már gyengébb téli fagyok hatására is megindul, és ezáltal a fertőzött szövetek megfagynak. A betegség kórképe azonban csak tavasszal vagy nyáron realizálódik, amikor a törzsben és a vastagabb ágakban a víz- és tápanyagszállító szövetek a téli károsítás miatt már nem tudják feladatukat betölteni.
A mi vizsgálatainkkal egy időben az USA-ban megállapították, hogy ez a baktérium egy érdekes, ún. jégmagképző tulajdonsággal is rendelkezik. Ma már tudjuk, hogy a Pseudomonas syringae baktérium sejtfal-fehérjéjének kristályszerkezete a jégkristályhoz hasonló. Ilyen fehérjekristály képes katalizálni a jégmagképződést, illetve a gyors fagyást már gyengébb fagyok alkalmával is.
Széleskörű nemzetközi kutatások azt bizonyították, hogy a Pseudomonas syringae erősen elterjedt baktérium, ami növényeinken és gyümölcsöseinkben szinte állandóan jelen van a növények felületén. Részben ennek a széleskörű elterjedtségnek köszönhető a tavaszi fagy kártétele gyümölcsöseinkben. Ugyanis a virágokon, a nektáriumban mindig jelenlevő jégmagképző baktériumok tavasszal már gyenge fagyok (-1, -2 OC) alkalmával is súlyos fagykárokat okozhatnak.
E felfedezés széles körű kutatómunkát indított meg világszerte, és ma már ott tartanak, hogy ezt a baktériumot tartják részben felelősnek az atmoszferikus jégkristály képződésért, vagyis a csapadékképződésért. Ezeknek a kutatásoknak a gyakorlati eredménye az is, hogy hómentes helyeken a síelésre alkalmas havat ilyen jégmagképző baktérium-szuszpenzió kipermetezésével állítják elő. Ennek a baktériumnak bizonyos mutánsait a hűtőiparban, sőt a fagylaltgyártásban is hasznosítják.
V. KÖRNYEZETKÍMÉLŐ ÚJ UTAK KERESÉSE A NÖVÉNYVÉDELEMBEN
A gombás növénybetegségek ellen számos növényvédő szer van forgalomban, a baktériumos és víruseredetű fertőzések ellen azonban nincsen. Éppen ezért a növényvédelem új célja a betegség-ellenálló növények nemesítése. A tudatos növénynemesítés viszont csak akkor lehet eredményes, ha már ismerjük a növény különböző védekezési mechanizmusait. A rezisztencia- nemesítés több új stratégiáját lehet megemlíteni. 1. Szövettenyészetek szelekciója. 2. Vírus-köpenyfehérje beépítése a növénybe. 3. Nagy antioxidáns-kapacitású növények szelektálása. 4. Rezisztencia gének bevitele vagy megsokszorozása transzgenikus növényekben. A molekuláris növénykórtan gyors fejlődése nap mint nap új utakat talál a kórokozók leküzdésére és a növényvédőszerek használatának fokozatos csökkentésére.
Az előadásban említett vizsgálatokat csoportmunkában végeztük. Szeretném kifejezni hálás köszönetemet munkatársaimnak a lelkesedésükért és eredményes együttműködésünkért.
|
Kislexikon |
|
Alginát Avr, Vir Alma-körtefélék tűzelhalásos betegsége Baktériumos lágyrothadás coli (Escherichia coli) baktérium Elicitor Extracelluláris poliszacharid (EPS) Fenolvegyület Gén génnel szembeni rendszer Génátvitel Hidrogénperoxid hrp gének III. típusú kiválasztó rendszer Intercelluláris tér Kambium Köpenyfehérje Lipid peroxidáció Membránok áteresztőképessége Mitokondrium Opportunista patogén Oxigén szabadgyökök, reaktív oxigénformák Paraszemölcs, lenticella Patogén Programozott sejthalál Receptor Salmonella, Shigella, Yersinia baktérium Szaprofiton Tonoplaszt Transzgénikus növény Vakcinálás Vakuolum |
|
||
|
|||
|
|
|||
