A jelen kutatásait meghatározó gyökerek
A Növénybiológiai, korábban Növényélettani Intézet 1971-ben kezdte meg működését az MTA Szegedi Biológiai Központban. Az ekkor indított kutatásokat két fő irányvonal határozta meg: az intézet első igazgatója, Farkas Gábor által vezetett Növényi Anyagcsere Élettani Csoportban folytatott növényi-vírus- és nukleinsav-kutatás, valamint a Faludiné Dániel Ágnes által vezetett Fotoszintézis Csoportban végzett, elsősorban biofizikai eszköztárt alkalmazó, fotoszintézis bioenergetikai vizsgálatok. Ez a két irány hamarosan kiegészült a mai, molekuláris növénybiológiai kutatásokat megalapozó Növényi Sejtgenetikai Csoport Maliga Pál által történt megszervezésével, valamint a szintén Farkas Gábor által beindított Alga Csoportban folytatott stresszélettani vizsgálatokkal. Az eredeti témák természetes evolúciójából kialakult kutatási irányok még ma is jórészt meghatározóak az NBI kutatási portfóliójában. Lényeges tematikai és metodikai bővülést jelentettek a Solymosy Ferenc által meghonosított növényi nukleoláris kis RNS kutatások, a Dudits Dénes csoportja által végzett növényi transzformáció és sejtciklus vizsgálatok, valamint a Nagy Ferenc által beindított fotoreceptor és cirkadián óra kutatások.
Kiemelkedő eredmények
Az elmúlt harminc év során a Növénybiológiai Intézet Magyarország legjelentősebb növényélettani, növénybiológiai kutatóhelyévé vált. Az alábbiakban röviden áttekintem ezen folyamat legjelentősebb állomásait és a jelen kutatásokat meghatározó témákat.
A fotoszintetikus fényhasznosítás vizsgálata kezdetben a tilakoid membránban elhelyezkedő fénybegyűjtő antennák és a fényindukált elektrontranszportot közvetítő redox komplexek felépítésére és működésére koncentrált. A Faludiné Dániel Ágnes és munkatársai által végzett kutatások eredményeként született meg az, a közelmúltban Garab Győző és csoportja által alátámasztott hipotézis, amely szerint a fénybegyűjtő komplexek kvázi-kristályos doméneket alkotnak. Ezen makrodomének megvilágítás hatására reverzibilis szerkezeti változáson mennek keresztül, amelynek egy újonnan megismert fizikai mechanizmus, az ún. termo-optikai effektus révén fontos szerepe van a fotoszintézisben nem hasznosuló, potenciálisan káros fényenergia disszipálásában.
A Fotoszintézis Csoport másik lényeges témaindítása a fotoszintetikus elektrontranszport vizsgálatára sokoldalúan alkalmazható termolumineszcencia mérőmódszer hazai bevezetése volt. A főként Demeter Sándor és munkatársai által kifejlesztett méréstechnika alkalmazásaiban a szegedi intézet mindmáig nemzetközileg elismert szerepet játszik, amelyek közül a kezdeti időszakban a fotoszintetikus herbicidek hatásmechanizmusának Horváth Gábor által kezdeményezett vizsgálata váltotta ki a legnagyobb figyelmet. E sorok írójára fiatal kutatóként mély benyomást tett Straub F. Brunónak egy, a 80-as évek elején tartott SZBK Napon elhangzott értékelése, amely szerint a herbicid hatásmechanizmus termolumineszcenciával történő vizsgálata "par excellence példája az alapkutatási eredmények gyakorlati hasznosításának".
A 80-as évek kutatási irányai között igen jelentős volt a kis nukleoláris RNS-ek növényi sejtekben történő kimutatása, szerkezetük és funkciójuk vizsgálata. Ezt a témát Solymosy Ferenc indította be, és tanítványa, Kiss Tamás fejlesztette tovább egy ma is kiemelkedően sikeres, bár főként külföldön, és nem növényi rendszereken vizsgált témává, amely kiterjed a telomeráz szerkezetének és működésének vizsgálatára is. A növényi RNS kutatások egy újabb irányát képviseli a növényi RNS Funkció Csoport, amely 1995-ben alakult a Németországból hazatért Lukács Noémi vezetésével. Fő témájuk a patogén növényi RNS-ek funkciójának vizsgálata és a velük szembeni védekezés, elsősorban RNS-specifikus ellenanyagok alkalmazásával.
A genetikailag módosított növények előállításához nélkülözhetetlen transzformációs rendszerek hazai kidolgozása szintén a 80-as évek meghatározó jelentőségű eredménye volt. Ennek első lépését az akkor még az SZBK Genetikai Intézetében Dudits Dénes vezetése alatt működő csoportban Koncz Csaba növényi mitokondriumokon végzett munkája jelentette. A csoport, és vele együtt az Intézet kutatásait a mai napig nagymértékben meghatározó tematika Dudits Dénes 1989-es igazgatói kinevezésével került át a Növénybiológiai Intézetbe. Ugyancsak ekkor kezdődtek a növényi sejtciklus vizsgálatok. A növények helyhez kötött életmódjuk következtében arra kényszerülnek, hogy egyedfejlődésüket gyorsan változó és gyakran kedvezőtlen környezeti tényezők hatásainak megfelelően szabályozzák. Alkalmazkodóképességük egyik meghatározó tényezője sejtjeik folyamatos osztódása és új szervek képződése. Ezért a sejtosztódás szabályozásának és pontos mechanizmusának megértése alapvető jelentőségű a növényi sejtbiológiában. A Dudits Dénes és munkatársai által végzett kutatások eredményeként elsőként sikerült növényi hiszton géneket azonosítani, valamint a sejtosztódás szabályozásának központi elemeit képező ciklin függő kináz (CDK) géneket izolálni.
A növények számára a fény túlzás nélkül a legfontosabb környezeti tényező. Nemcsak energiaforrásként szolgál a fotoszintézis folyamataihoz, hanem döntő módon szabályozza az egyedfejlődés folyamatát is, a mag csírázásától kezdve a termés kialakulásáig. Emellett azonban a fény a növényi produktivitást nagymértékben meghatározó stresszfaktor is. A növények az őket érő megvilágítás intenzitásában, időtartamában és spektrális eloszlásában bekövetkező változások folyamatos érzékelésére fotoreceptorokat fejlesztettek ki. Közülük leginkább a vörös/távoli vörös tartományban elnyelő fitokromok és a kék/UV-A fényt abszorbeáló kriptokromok tulajdonságai ismertek.
Nagy Ferenc a 80-as évek végén indította be a fény és a napszakos ritmus által szabályozott génexpresszió mechanizmusának feltárására irányuló, nemzetközileg igen elismert kutatásait. Az általa vezetett Foto- és Kronobiológiai Csoportban az elmúlt évek során számos olyan megfigyelést tettek, amelyek jelentősen hozzájárultak a fitokrom fotoreceptorok és az általuk is regulált biológiai óra szerepének megértéséhez. Az elsők között bizonyították, hogy a fény a gének kifejeződését a transzkripció szintjén szabályozza. Sikerült kimutatniuk és azonosítaniuk a fényfüggő jelátviteli lánc fontos lépéseit és az ezekben kulcsszerepet játszó géneket. Legújabb eredményeik - amelyek szerint a fitokrom fényreceptorok a fényelnyelést követően a sejtmagba transzportálódnak - lényegesen megváltoztatták a fényszabályozott génkifejeződésnek mechanizmusára vonatkozó elképzeléseket.
A fény mint a növényeket befolyásoló környezeti stressztényező vizsgálata a Növénybiológiai Intézet fontos kutatási területe. Ezt a témát a Vass Imre által 1991-ben beindított Molekuláris Stressz- és Fotobiológiai Csoport honosította meg a hazai kutatásban. Legjelentősebb eredményeik a fotoszintézis leginkább stresszérzékeny komponensében, az ún. kettes fotokémiai rendszerben látható és ultraibolya fény által okozott gátlási mechanizmus, és az ezt helyreállító repair folyamatok tisztázása volt. A helyreállítási mechanizmus vizsgálata során UV-B indukálható stresszgéneket azonosítottak a modellorganizmusként használt Synechocystis 6803 cianobaktériumban.
A fotoszintetikus szervezetek változó hőmérsékleti és fényviszonyokhoz való adaptációjában kulcsfontosságú szerepet játszik a tilakoid membránok zsírsav-deszaturáció által szabályozott szerkezetváltozása. Gombos Zoltán neves japán laboratóriumokkal kooperációban végzett vizsgálatai nagymértékben hozzájárultak ezen adaptációs mechanizmus részleteinek tisztázásához. Itthoni munkájuk során kimutatták, hogy a korábban általánosan elfogadott vélekedéssel ellentétben a deszaturáz gének kifejeződésében nemcsak a hőmérséklet-változások, hanem a fény is szerepet játszik.
Napjainkban a genomszekvenálások révén a növénybiológiai kutatásokat nagymértékben meghatározzák az egyes gének azonosítására, funkciójuk meghatározására irányuló erőfeszítések. Ebben a munkában jelentős szerepet játszik az Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport, amelynek kutatásai elsősorban a magasabb rendű növények környezeti stresszhatásokkal szembeni ellenálló képességének megismerésére irányulnak. Ezen vizsgálatok során T-DNS mutagenezis módszer alkalmazásával azonosítottak az Arabidopsis thaliana modellnövényben a só és ozmotikus stresszregulációban szerepet játszó géneket. A csoportvezető Koncz Csabának nagy visszhangot kiváltott eredménye volt a brasszinoszteroid hormon felfedezése, amelyet a kölni Max-Planck Intézetben irányított csoportja és a szegedi kutatók közös munkája tett lehetővé.
Az alapkutatási vizsgálatokat ma már a tisztán tudományos érdeklődés mellett, illetve helyett egyre inkább motiválja az eredmények gyakorlati hasznosíthatóságának igénye. E világtendenciának megfelelően a növénybiológiai kutatásokban is egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a biotechnológiai alkalmazások, illetve az ezeket közvetlenül elősegítő vizsgálatok. A Növénybiológiai Intézet úttörő szerepet játszott a növényi biotechnológia magyarországi meghonosításában és elterjesztésében. Ezen jórészt külföldi ipari partnerek által támogatott kutatások legjelentősebb eredményei a herbicid rezisztens kukorica előállítását lehetővé tevő transzformációs rendszer kidolgozása, az oxidatív stresszel, illetve szárazsággal és UV-B sugárzással szemben megnövekedett rezisztenciát mutató ferritin, illetve aldóz/aldehid reduktázt túltermeltető transzgenikus dohányok előállítása volt.
Tudományszervezés, tudományos közélet, oktatás
Az intézet kutatóinak nemzetközi elismertségét jelzi az általuk szervezett számos nemzetközi konferencia: 1990 FEBS Symposium, Budapest (Fejes Erzsébet); 1991 FESP Stressz Konferencia, Szeged (Horváth Gábor); 1993 Nemzetközi Biofizikai Kongresszus, Budapest és ESF Biofizikai Iskola, Szeged (Garab Győző); 1993 EMBO Workshop, Szeged (Dudits Dénes); 1998 XI. Nemzetközi Fotoszintézis Kongresszus, Budapest (Garab Győző); 1998 ESF Fénystressz Konferencia, Szeged (Vass Imre) és ESF Biofizikai Iskola, Szeged (Gombos Zoltán).
Az intézet szenior kutatói számos hazai és nemzetközi szervezetben töltenek be fontos tisztséget. Ezek közül legjelentősebbek az EMBO (Dudits Dénes, Nagy Ferenc), az Academia Europaea (Dudits Dénes) és az MTA (Dudits Dénes) tagjai között elfoglalt helyek. Emellett részt vesznek még az ESF, a Nemzetközi Fotoszintézis Társaság, a Magyar Biofizikai Társaság és a Magyar Növényélettani Társaság vezetőségében, illetve az MTA Biofizikai és Növényélettani Bizottságainak munkájában.
A kutatói utánpótlás biztosítása szempontjából igen fontos az egyetemekkel való oktatási kapcsolat, illetve a PhD-programokban történő részvétel. Az intézet kutatói közül hárman rendelkeznek egyetemi magántanári címmel, négyen pedig Széchenyi professzori ösztöndíjjal. Részt vesznek az SZTE, ELTE, Szent István Egyetem, JPTE PhD-programjaiban, és irányítják 25-30 PhD-hallgató munkáját.
A növénybiológiai kutatások jövőjét meghatározó irányok
A modern biológiai kutatások egyik alapvető vonása a vizsgált problémák nagyfokú komplexitása, ami megköveteli a multidiszciplináris megközelítések alkalmazását. Nem kivétel e tendencia alól a növénybiológia sem, ahol a DNS szekvenciák bioinformatikai analíziséből kiindulva az egyes folyamatokban kulcsszerepet játszó gének azonosításán, majd módosításán keresztül kell eljutni a gének által kódolt fehérjetermék szerkezetének és működésének megértéséhez, majd pedig a növényi sejt és az egész növény szintjén bekövetkező fiziológiai változások, pl. stressztolerancia jellemzéséhez. Ez a multidiszciplináris szemléletmód feltételezi a különböző tudományterületeken, különböző metodikákkal dolgozó csoportok szoros együttműködését, továbbá a komplex problémák megoldására alkalmazható kutatási potenciál lehetőség szerint egy kutatóhelyen belüli megteremtését. A multidiszciplináris kutatási potenciál csíráiban már a kezdetektől fogva jelen volt a Növénybiológiai Intézetben, a növényfiziológusok és a fotoszintézis-kutatással foglalkozó biofizikusok egymás mellett, illetve együtt dolgozása révén. Hatékony és sikeres tényezővé azonban csak az utóbbi években vált, a molekuláris biológiai, biokémiai és biofizikai módszereket alkalmazó kutatások szorosabb integrációja révén.
Ezen közös kutatások legjelentősebb eredményei a ferritint és aldóz/aldehid reduktázt túltermeltető transzgenikus növények előállítása, és oxidatív stresszel, illetve szárazsággal és ultraibolya sugárzással szembeni toleranciájuk kimutatása. További fontos eredmény a magasabb rendű növényi sejtek modelljeként szolgáló Synechocystis 6803-as cianobaktériumban a látható- és ultraibolyafény-, valamint hőmérséklet-változások által indukált génexpresszió, és az ehhez kapcsolódó fehérje repair folyamatok jellemzése.
A multidiszciplinaritás mellett a növénybiológiai kutatásokat már ma is, és a jövőben még inkább meghatározó tendencia a genomika és a proteomika térhódítása. Ez az irányvonal a növénybiológiát is a "big science" felé tereli, ami nem igazán kedvez a relatíve kicsiny humán, és még kisebb anyagi erőforrásokkal rendelkező hazai kutatásnak. Az SZBK-ban az utóbbi egy-két évben végrehajtott jelentős genomikai (DNS-Chip laboratórium) és proteomikai (protein tömegspektroszkópiás MALDI-TOF laboratórium) beruházások eredményeként azonban az Intézet viszonylag jó pozíciókból tud bekapcsolódni ezen kutatási irányokba.
A nagy nemzetközi konzorciumokkal természetesen nem lehet versenyezni a teljes növényi genomszekvenciák meghatározása, és az ezen alapuló, az összes gént tartalmazó DNS-chipek előállítása területén. Ugyanakkor a rendelkezésre álló, az anyagi, infrastrukturális háttérnél jóval versenyképesebb szellemi kapacitásra támaszkodva lehetőség van olyan kisebb volumenű, de fontos tudományos felismeréseket eredményezhető projektek indítására, mint a speciális körülmények között kifejeződő EST szekvenciák analízise, vagy nem túlságosan nagyszámú, speciális géncsoportokat tartalmazó DNS-chipek létrehozása és alkalmazása. Az első irányra jó példákat szolgáltatnak a Növénybiológiai Intézetben folyó, jórészt külföldi támogatással, illetve kooperációban folytatott Arabidopsis és lucerna szekvenálási projektek. A DNS-chip technika alkalmazása terén jelenleg kidolgozás alatt van egy lucerna-sejtciklus géneket, valamint egy Synechocystis stresszgéneket tartalmazó DNS-chip.
Visszatekintve a Növénybiológiai Intézet első harminc évének eredményeire, remélhetőleg nem túl optimista az a feltételezés, hogy a mindeddig töretlen fejlődés a jövőben is folytatódik, és a változó tudományfinanszírozási tendenciák mellett is lehetővé teszi a nemzetközi szinten is nagyra értékelt kutatási színvonal fenntartását.