megtermékenyülést és a mag érését kísérő biokémiai, élettani folyamatok és az őket irányító gének működésének megismerése segítheti a termésbiztonság növelésén munkálkodó növénytermesztőt és -nemesítőt. Ez az oka annak, hogy a magok, a növényi embrió és a táplálószövet (az endospermium) nemcsak a növényeknek fontosak, hanem nekünk is, minthogy ezekből kerülnek ki sok élelmiszerünk nélkülözhetetlen nyersanyagai.
A virágzás folyamatát és a termésképződést meghatározó gének szerepéről hasznos információt nyújthatnak a mutáns egyedek, amelyekben egy-egy gén hibás működése folytán a növény bizonyos élettani vagy küllemi sajátosságai megváltoznak. A génállományba beépített génekkel transzgénikus növényeket hozhatunk létre, bizonyos gének működését felfüggeszthetjük, mások fehérjetermékeiből többletet termeltethetünk. A gének kiemelése és átalakítás utáni visszaépítése ma már mindennapos gyakorlat a növénybiológiai kutatásban, különösen azóta, hogy a növények DNS-állományának megismerésével célzottabbá válhattak a géntechnológiai beavatkozások. Megváltoztatható a virágzás ideje, kedvezőtlen időjárási körülmények között is kifejlődhetnek a magvak, növelhető a termés vagy a gyümölcsök tápértéke.
Az emberi élet szempontjából több figyelmet érdemelnek termesztett növényeink jelentéktelen külsejű, apró virágai, például a mindennapi kenyerünket adó búza parányi kalászkái. Az egyszerű külső mögött fontos biológiai folyamatok mennek végbe, amelyeknek az egyik legfontosabb emberi táplálékot köszönhetjük.
Válasszuk az egyedfejlődési ciklus kezdetéül önkényesen a csírázást. A földbe került búzaszem nedvességet szív magába, a benne szunnyadó nyugalmi állapotú embrió sejtjei megnyúlnak, majd osztódni kezdenek. A növekedésnek induló szervek az endospermiumban tárolt tartalék tápanyagokat hasznosítják. Előbb megjelenik a gyökér, majd fejlődésnek indul a hüvellyel védett rügyecske is. A talajból kibújó hajtáskezdeményen már ott ül az első levél, amelyet levelek sora követ.
A levélkezdemények újabb és újabb sejtjei a növekedés vegetatív fázisában a hajtásmerisztéma osztódó sejtjeiből lesznek, de amikor már kifejlődött bizonyos számú levélkezdemény, az új oldalmerisztémák egyszer csak kalászkakezdeményként jelennek meg. Később felismerhető a virág többi részének szöveti differenciálódása is.
A növények egyedfejlődési stratégiájának jellemzője, hogy az utódok létrehozására szolgáló, redukált kromoszómaszámú mikro- és makrospórák a testi sejtekből alakulnak ki a portokban, illetve a magkezdeményekben. A mikro- és makrospórákat létrehozó ivarszervek a virágmerisztémában jönnek létre, azaz nincs elkülönült csírasejtvonal, mint az állatoknál, amelyek életében már a korai szakaszban felismerhetők az őscsírasejtek, amelyek a testi sejtektől elkülönült csírasejt-populációt alkotnak.
A növények pollenszemeinek egy része a bibére kerül, és a legéletrevalóbb elindítja a megtermékenyítés folyamatát. A búza petesejtjének megtermékenyítése után három nappal már jól felismerhető az embrió, és megkezdődik a sejtes táplálószövet kialakulása. A mag fejlődése közben az anyagcsere folyamatai szénhidrátokat, lipideket és fehérjéket halmoznak fel.
Az embrió kifejlődését és a raktárak feltöltődését nyugalmi szakasz követi: a búzaszem érésének utolsó szakaszában csökken a mag víztartalma, és ekkor szintetizálódik az abszicinsav nevű védőhormon, illetve a védelmet nyújtó fehérjék: a hősokkfehérjék, továbbá az úgynevezett LEA-fehérjék. A feladatuk, hogy a kiszáradt szövetekben megőrizzék számos molekula működőképességét.
A virágok megjelenésének idejét döntően befolyásolja a nappalok és az éjszakák hossza, a fotoperiódus változása. A lúdfű (Ababidopsis) úgynevezett hosszú nappalos növény. Ha a nappali órák száma elér bizonyos értéket, akkor nincs akadálya a virágzásának, de ha tízórás vagy rövidebb megvilágításhoz jut a növény, csak levélrózsát fejleszt. A rövid nappalos rizs esetében éppen fordított a helyzet: a sok napfényes óra gátolja a bugák kialakulását, míg tízórás megvilágítás esetén gazdag virágzatot hoz a növény.
Vajon miképp érzékelik a növények a nappalok hosszát, és milyen gének, fehérjék játszanak szerepet a virágzás folyamatának elindításában? A hibás, mutáns gének vizsgálata az úgynevezett konstans (co) gén kulcsszerepének felismeréséhez vezetett. E más gének működését befolyásoló mestergén hatását csak úgy érthetjük meg, ha ismerjük a növényi gének felépítésének főbb jellemzőit. A gént alkotó DNS-szálon belül három főbb szerkezeti és működési elemet különítünk el: az úgynevezett promoter szakasz felelős a gén működésének szabályozásáért. Egyik régiójához aktiváló vagy gátló fehérjék kötődnek, így befolyásolják, milyen sejtben, szervben mikor milyen mértékben történjen meg a gén átíródása, transzkripciója. A kódoló régió irányítja a hírvivő mRNS kialakulását, amely alapul szolgál a gén által meghatározott fehérje szintéziséhez. A harmadik egység a gént lezáró terminációs jel.
A co gén működésében napszakos, a megvilágítás hosszától függő ritmus mutatható ki. Az általa termelt co fehérje szabályozza bizonyos virágzási gének aktivitását. Az egyik ilyen virágzási gén az úgynevezett fl (flowering locus) gén, amelynek aktivitása csak hosszú megvilágítás mellett – amikor elegendő mennyiségben képződik a co gén terméke – teszi lehetővé a virágzást. Ha az izolált co gén promoter régióját folyamatosan működő, aktív szabályozó elemmel cseréljük le, a co fehérjét nagyobb mennyiségben tartalmazó növény hosszú nappalon korábban virágzik, és még rövid nappalos megvilágítás mellett is virágot hoz. A virágzás idejének befolyásolása jelentős gazdasági előnyökkel járhat: a korábban virágzó fajták már azelőtt túljutnak a virágzás és a magkötés fázisán, hogy a talaj víztartalékai kimerülnének.
A fénynek kitüntetett szerepe van a virágzás szabályozásában, ezért indokolt felkutatni a növény fényérzékelő molekuláit. A fitokróm fehérjék a vörös, illetve a távoli vörös tartományban képesek elnyelni a fényt. A hosszú nappalos lúdfű működőképes fitokróm nélküli mutánsai később virágzanak, ellenben a rövid nappalos rizs Se5-ös mutánsa a fitokróm funkció elvesztése következtében hosszú nappalos körülmények között is bugát hoz. E mutáns rizsnövények elvesztették fotoperiódus iránti érzékenységüket, és még 24 órás megvilágítás mellett is virágoznak. Az új fajtákat ennek köszönhetően eltérő éghajlatú területeken is el tudjuk terjeszteni.
A hőmérsékleti viszonyok szintén döntően meghatározzák a virágzás folyamatát. A generatív fázis megkezdéséhez fajonként eltérő hőösszeg szükséges: több fajnak alacsony hőmérsékleti hatásra, vernalizációra van szüksége a virágzáshoz. A lúdfű hat héten át tartó +4 Celsius-fokos hidegkezelése elnémítja egy virágzást gátló fehérje (flc) génjét, így megjelenhetnek a virágok. De ha mutáció következtében működésképtelenné válik a vernalizációs VRN1 fehérje, akkor a hidegkezelés hatástalan. Ez a fehérje megakadályozza a virágzást gátló (flc) gén működését.
A növények életciklusának vegetatív fázisában, amikor a hajtás növekszik, és sorra jelennek meg a levelek, a virágzási program génjei gátolt állapotban vannak, ennek megszűnése indítja el a generatív fázist, a virágok megjelenését. Genetikai hiba következtében a lúdfű-csíranövények a vegetatív növekedési fázis kihagyásával idejekorán, már 15 napos korukban virágot hoznak.
A virágzó embriómutáns sokat elárul a növények fejlődési stratégiájának molekuláris folyamatairól. A virág szerveinek kialakulását meghatározó genetikai program elindulása után megkezdődik a virágot alkotó szervek kifejlődése. A fajra, illetve nagyobb rendszertani egységre jellemző képletek körkörös elrendezésben, szigorúan meghatározott számban és helyen alakulnak ki. A rekombináns DNS-módszerek többféleképpen segítik a virágban kifejeződő gének azonosítását. Az úgynevezett DNS-csiptechnológia segítségével akár húszezer génmintát is el lehet helyezni egy mikroszkópi tárgylemezen. Ha a levél-, illetve virágspecifikus géneket kívánjuk megtalálni, akkor kétféle fluoreszcens festék jelenlétében a levélből és virágból izolált mRNS felhasználásával úgynevezett kópia cDNS-eket szintetizálunk. A kétféle cDNS molekulapopuláció keverékét a tárgylemezen elhelyezett génmintákhoz hibridizáljuk, s a szétválasztott DNS-szálak megtalálják komplementer egységeiket. Zölden világítanak a levélspecifikus gének, pirosan fluoreszkálnak a virágspecifikus gének, a sárga jel azokat a géneket mutatja, amelyek mindkét szervben aktívak. A lúdfűnek hozzávetőleg 25 ezer génje van, s a virágban működő gének nagy száma miatt még további kutatásokra van szükség, hogy mindegyikük szerepét tisztázni tudjuk.
Igazolták, hogy az állatokhoz hasonlóan a növényekben is úgynevezett homeotikus gének irányítják a morfológiai struktúráknak, a szervek kialakulásának, a test formálásának programját. Ha mutáció következtében elvész egy bizonyos funkció, akkor például a csésze- és a sziromlevelek helyén termők és porzók jelennek meg. Egy másik gén a sziromlevelek mellett a porzók kifejlődésének szabályozásában is részt vesz, mutációja folytán termők nőnek a sziromlevelek és porzók helyén. Egy másik gén a porzók és a termő kialakulásához szükséges, mutációja következtében a virágban csak csésze- és sziromlevelek fejlődnek.
Dudits professzor úr bemutatta a homeotikus mutációk eredményeként kialakuló bizarr virágstruktúrákat, s hogy a virágok formája és színe szinte tetszés szerint változtatható e gének beépítésével.
A búza magkezdeményéről készült metszeten megtalálható az osztódás korai fázisában levő zigóta. Az embrió gyarapodása és az endospermium feltöltődése során a növény a termésben halmozza fel a biológiai szempontból számára értékes, illetve energiát hordozó molekulákat. A termés biológiai és élelmezési értékét a benne felhalmozott fehérjék mennyisége és aminosav-összetétele határozza meg. Például a búzaszemben raktározott nagy molekulatömegű, úgynevezett HMW-fehérjék befolyásolják a liszt sütőipari értékét.
A növények egyik jellemző tulajdonsága, hogy a véglegesen differenciálódott testi (szomatikus) sejtek, például a levélsejtek is képesek lehetnek embriógenezisre. E sejtekből az ivaros szaporodás eseményeitől független, úgynevezett szomatikus embriók nevelhetők fel. A növényeknek ez a képessége egyedülálló fejlődésbiológiai rejtély, molekuláris hátterét alig ismerjük. Mintha túlélési stratégiájának részeként a növény akkor is gondoskodni próbálna az utódok létrehozásáról, ha nincs lehetősége a virágzásra.
A szomatikus embriogenezis jelenségét először sárgarépa-sejtkultúrákban figyelték meg, de akár a lucerna példáján is bemutathatók a folyamat kulcslépései. A sejtfaluktól megfosztott levélsejtek, az úgynevezett protoplasztok a tenyészoldatban hamar újra létrehozzák a sejtfalukat, és növényi hormon hatására osztódni kezdenek, és organizálatlan hegszövetet, kalluszt hoznak létre. Nagyobb dózisú hormon hatására a sejtek sűrű citoplazmájában a kloroplasztiszok gyorsan degenerálódnak, és aszimmetrikus osztódás következik be, amely hasonló a zigóta első osztódásához. A szomatikus embriókból tenyészedényben növényeket nevelhetünk fel, illetve felhasználhatjuk őket mesterséges magok előállítására. Az egyik eljárás szerint a szomatikus embriókat kiszárítják, becsomagolhatják vagy gélbe ágyazzák. A mesterséges magok használata különösen nagy értékű növények esetében lehet gazdaságos. A klónozásnak ez a módszere szerepet kaphat például a heterózishatás rögzítésében.
A növényeket tanulmányozó biológusok igen nagy erővel kutatják, milyen folyamatok vezetnek a testi sejtek átprogramozásához, az egyedfejlődési program újraindításához. A szomatikus állapotból az embriogén sejtállapotba történő átmenet minden bizonnyal sok gént érint. Mégis egyetlen homeotikus gén, a Wuchsel-gén működésének átmeneti fokozása valóságos csodát művel a transzgénikus lúdfűnövénnyel: a gyökércsúcsok helyén embriók jelennek meg.
Bizonyos gének hibás működése következtében nemcsak embriók, hanem táplálószövet is kialakulhat megtermékenyítés nélkül. Találtak olyan mutáns lúdfüvet (az úgynevezett fie mutánst), amelynek becőterméséből megporzás és megtermékenyítés nélkül magkezdemények fejlődtek ki. A tüzetesebb vizsgálat kimutatja, hogy e mutáció következtében táplálószövet is kifejlődött, ellenben embrió nem alakult ki. Az is kiderült, hogy e gén terméke olyan fehérje, amelynek a zárt kromatinszerkezet fenntartásában van szerepe.
A növények ivarszerveiben zajló események sokféleképpen hatnak mindennapi életünkre. A táplálékként elfogyasztott növényi szervek minősége közvetlenül befolyásolhatja egészségi állapotunkat. A fejlődő világ népei súlyos betegségektől szenvednek a szegényes, egyoldalú táplálkozás következtében. Termesztett növényeinket jobbítva egészségesebb élelmiszerek előállítása válik lehetővé. A transzgénikus stratégiák egyik sikertörténete a rizs b-karotin-tartalmának növelése. A b-karotin az A-vitamin elővitaminja. A kutatók a karotinszintézis génjeit a rizsbe építve működőképes enzimek szintézisét tették lehetővé. Így jött létre az úgynevezett aranyrizs. Ha elterjed, remény lehet arra, hogy az A-vitamin-hiány miatt támadó bajok – például a gyermekkori vakság – kevesebb szenvedést okoznak az embereknek. Az alapkutatás szemlátomást nem öncélú, az általa szerzett ismeretek javíthatják életünk minőségét, és az emberiség remélhetőleg élni is fog a kínálkozó lehetőségekkel.
origo.hu
A klímák után a hűtőket is betiltaná az EU
