Magyar Tudomány, 2007/04 404. o.

Géntechnológia és gazdasági növényeink


GÉNTECHNOLÓGIA

A NÖVÉNYBIOLÓGIAI KUTATÁSBAN

ÉS A BIOIPARBAN


Dudits Dénes


az MTA rendes tagja, MTE Szegedi Biológiai Központ

dudits brc.hu



Indoklás


Az ellentétektõl, harcos szembenállásoktól terhes világunk betegségei nem kímélik a tudományos kutatás birodalmát sem. A tudósi elefántcsonttornyok alapjaikban szenvednek sérüléseket, és fokozatosan átadják helyüket a nagyüzemesített, csúcstechnológiákkal felszerelt tudásgyáraknak, ahol már szellemi termékek termelõdnek a piac irányította igények szerint. A növények életének titkait kutatóknak sincs igazán sok választásuk, mint hogy éljenek a modern módszerek kínálta lehetõségekkel, és szolgálják a zöld biotechnológiára épülõ biogazdaság fejlõdését. Természetesen, amikor a növények hasznosíthatóságának gazdaságosabbá tételét célzó kutatások kerülnek elõtérbe, akkor egyúttal jelentõsen bõvülnek biológiai ismereteink is. Ha az elmúlt húsz-huszonöt év növénybiológiai kutatásainak eredményeit elemezzük, elvitathatatlan következtetés fogalmazódik meg: a rekombináns-DNS-módszerek alkalmazása, a génizolálási és -beépítési kísérletek, illetve legutóbb a funkcionális genomika térhódítása a lényeget érintõen változtatták meg szemléletmódunkat, ismereteink tárházát a növények életjelenségeit illetõen. Nem kétséges, hogy egy igen izgalmas új világ tárult fel elõttünk, amelynek távlatai beláthatatlanok. Minden egyes tudományos felismerés az újabb megválaszolatlan kérdések sokaságát szüli, ezzel nyit utat a további kutatási irányoknak, illetve alapot ad a hasznosítás lehetõségének. Nincs értelme szétválasztani az alap- és alkalmazott kutatást, illetve független szereplõkre bízni az innovációt. Éppen a géntechnológiára épülõ kutatások esetében gyakori, hogy rövid úton sor kerül az innovatív ismeretek felhasználására a növénynemesítésben, és az új tulajdonsággal bíró fajták termesztésével gazdasági, környezetvédelmi és egészségügyi célok teljesülnek. A zöld biotechnológia társadalmi, fogyasztói elfogadását nehezíti, hogy a géntechnológiával nemesített (GM) növények és a belõlük származó termékek váratlanul, a fogyasztók felkészítése, tájékoztatása nélkül jelentek meg a mezõgazdasági gyakorlatban, illetve a piacokon. Túl az információhiányon, szervezett ellenkampányok is elbizonytalanították a közvéleményt a GM-növények hasznosságát illetõen. Valóban könnyû félrevezetni, megfélemlíteni az embereket olyan kérdésekben, amelyekben a tisztánlátás igényli a legalapvetõbb biológiai ismereteket. Az alábbiakban bemutatásra kerülõ koncepciók, kísérletezési megoldások segíthetnek a tájékozódásban az egymásnak ellentmondó információk közepette.


Génsebészettel a növények

csodálatos életének titkai nyomában


A 80-as évek kezdetétõl beszélhetünk növényi génsebészetrõl, amelyet gyakran „genetikai mérnökségnek” (genetic engineering) is neveznek, hiszen tudatosan megtervezett és kivitelezett módon történik az örökítõ anyag, a DNS megváltoztatása abból a célból, hogy kedvezõbb tulajdonságokkal rendelkezõ élõ szervezeteket hozzunk létre. Így lényegét tekintve nemesítésrõl beszélhetünk, bár módszereiben más, a hagyományos nemesítés eszköztárát kiegészítõ eljárások révén történik új génkombinációk kialakítása, amelyek az emberi igényeket jobban kielégítõ növényeket eredményeznek. A génsebészet jelentõségét és várható hatásait ma még lehetetlen megbecsülni, mégis már most megtapasztalhatjuk a gének világáról alkotott elképzeléseink konkretizálódását. A géneket övezõ misztikum fokozatosan oszlik, hiszen a géneket jelentõ DNS-molekulák izolálhatók, meghatározható a nukleotidok sorrendje, azonosíthatók a fõbb funkcionális elemek. Kémcsõben új összetételû molekulák alakíthatók ki, amelyek beépíthetõk a különbözõ élõ szervezetek génállományába, és így alakítható a sejtek, szövetek mûködése, majd a felszínen megjelenõ új tulajdonságok végsõ soron hasznosak lehetnek az iparban és a mezõgazdaságban.

Bár a DNS-izolálás módszerében lehetnek eltérések, a génsebészet alapmetodikája független attól, hogy milyen élõ szervezet a vizsgálódás tárgya. A növényekkel végzett géntechnológiai mûveletekrõl részletes leírásokat nyújt a Növényi biotechnológia és géntechnológia címû kötet (Dudits – Heszky, 2003). Napjainkban a genomikus DNS-könyvtárak nélkülözhetetlenek a genomszekvenálási programokhoz és a géntérképek alapján végzett génizolálásokhoz. A különbözõ méretû növénygenomok megismerésének alapvetõ feltétele, hogy a sejtmagi DNS-t izolálás után darabonként lehessen kezelni, felaprítani és vizsgálni. A növényi genomikus génkönyvtárakat leggyakrabban bakteriális mesterséges kromoszómák (Bacterial Artificial Chromosome – BAC) felhasználásával hozzák létre.

A több száz kilobázispár méretû egyedi BAC-klónok formájában felszaporított növényi DNS-szakaszok megszekvenálásával jó betekintést nyerhetünk a genom felépítését illetõen. A nukleotidszekvencia-adatok értékelése alapján a búzagenomnak csak a 2,5 %-a felel meg ismert géneknek, míg 90 %-ra tehetõ a nem kódoló, ún. ismétlõ szekvenciák aránya. Az utóbbiak jelentõs mértékben mobil, ún. transzpozonelemekbõl állnak. Máig megoldatlan rejtély, hogy milyen szerepet tölt be a sok, szekvenciaismétlõdésekben gazdag DNS a növényekben. A növényi DNS-darabokat hordozó BAC-klónok nélkülözhetetlenek az agronómiai értékekkel bíró gének azonosításában és izolálásában. A génvadászat sikerének egyik feltétele, hogy minél részletesebb géntérkép álljon rendelkezésre arról a kromoszómarégióról, ahol az izolálandó gén elhelyezkedik. A növények géntérképeit nézve szembetûnõ, hogy elsõdlegesen molekuláris markereket helyeznek el az egyes kromoszómákon. Különösen értékesek azok a markerek, amelyek agronómiai tulajdonságokhoz kötöttek. Így segítségükkel lényegesen növelhetõ a szelekciós munka hatékonysága, a genetikai elõrehaladás mértéke. A molekuláris markerek elhelyezhetõk a BAC-klónokon, és ezzel lehetõvé válik a kívánt gének izolálása.

Az aktív gének másolatai a kópia DNS-molekulák (cDNS-ek), melyeket a mRNS-molekulákról a reverse transzkriptáz enzim szintetizál. Bár az élõ szervezetek minden egyes sejtjében az örökítõ anyag elméletileg azonos DNS-molekulák formájában található meg, mégis sejtenként, szövetenként, szervenként dinamikusan változik a felhasznált genetikai információ, amely irányítja az életfolyamatokhoz szükséges molekulák szintézisét. A hírvivõ mRNS-populációk és az azokról készített cDNS-ek hû képet adnak a sejtek aktuális anyagcsere-állapotáról, az éppen aktív gének körérõl. A nagyteljesítményû DNS-szekvenátorok megvalósíthatóvá teszik nagyszámú, véletlenszerûen kiválasztott cDNS-klón nukleotidsorrendjének meghatározását. Így génkifejezõdési markerek (expressed sequence tags – ESTs) tömege hozható létre az egyes sejtek, szervek mûködésének jellemzésére. A genomszekvenálási programokban is igen jelentõs szerep jut az EST-információknak, hiszen mint molekuláris markerek felhasználhatók a kromoszomális térképezés során. A cDNS-klóntárak készítését ma már cégek által forgalmazott reagenskészletek és lépéseiben optimalizált mûveletsorok teszik megbízhatóvá. A legfontosabb növények esetében aligha van olyan szerv vagy fejlõdési fázis, amelybõl ne készült volna cDNS-bank gének izolálása céljából. A polimeráz láncreakció (polymerase chain reaction – PCR) lehetõvé teszi néhány sejtbõl származó RNS-mintából cDNS-bank készítését.

A mûködõ gének körétõl, a róluk szintetizálódó mRNS mennyiségétõl függ, hogy milyen fehérjék, enzimek alakítják a sejtek anyagcseréjét, funkcióit. Így a génsebészeti beavatkozások gyakran az mRNS-molekulák számának befolyásolásán keresztül változtatják meg a növények életfolyamatait. A mai ismereteink szerint a gének mûködése többek között függ a DNS fehérjékbe ágyazódásának mikéntjétõl, a kromatin szerkezetétõl, a gén kódoló szakaszán kívüli, az ún. promoterrégió nukleotidsorrendjétõl, valamint a képzõdött mRNS-molekulák stabilitásától.

Az idei év orvosi Nobel-díjasai (Andrew Z. Fire és Graig Mello) a legjelentõsebb tudományos elismerést a génelhallgattatás jelenségének felfedezéséért kapták. Ez a szabályozási mechanizmus növényekben is mûködik, és sikeresen használható hasznos, új tulajdonságok kialakítására (Mansoor et al., 2006). A dupla szálú RNS által indukált szekvenciaspecifikus mRNS-feldarabolódás a géntermék hiányához vezethet. A génmûködés negatív szabályozásában szerepet kaphatnak az ún. mikro RNS-molekulák, amelyek szintén szelektív mRNS-degradációt okozhatnak.

A gének funkcióvesztése természetesen az örökítõanyagban hirtelen fellépõ mutációk következtében is bekövetkezhet. A kémiai mutagének vagy a besugárzás okozta kromoszómatörések, pontmutációk mellett idegen DNS-molekularészek beépülése szintén elronthatja a gént. Ha a beépülés a promoterrégióba történik, akkor elmarad az mRNS szintézise, illetve az integráció hibás mRNS kialakulását eredményezheti. Az ugráló gének, a mobil transzpozonelemek gyakran okolhatók a gének meghibásodásáért, de idegen gének beépítésével mesterségesen is létrehozhatunk mutánsokat, amelyek fontosak a gének szerepének tisztázásában. A génbeépítéssel létrehozott ún. inszerciósmutáns gyûjtemények nagy elõnye, hogy az idegen DNS beépítése révén sikeresen azonosítható és izolálható az elrontott gén, és egyben megismerjük a hibás gén által érintett tulajdonságokat is.


A géntechnológiával nemesített (GM) növények születése: genetikai transzformáció


A géntechnológia térhódítása a növénybiológiában és a nemesítésben nagymértékben köszönhetõ az izolált gének beépítését, a genetikai transzformációt szolgáló módszerek tökéletesedésének. Alig találunk növényfajt, amely ne lenne alkalmas az in vitro létrehozott génkonstrukciókkal végzett transzformációs mûveletek számára. A korábban bemutatott génbeépítési módszerek (Dudits, 2003) az évek során hatékonyabbá váltak, de sokkal inkább meghatározó tényezõ, hogy a felhasznált gének köre, illetve az alkalmazott stratégiák száma bõvült jelentõsen. A fejlõdés mind a kutatás és fejlesztés, mind a GM-növények termesztése területén statisztikai adatokkal dokumentálható. Az 1. ábra Philippe Vain (2006) nyomán bemutatja a transzgénikus növényekkel foglalkozó tudományos és technológiai közlemények gazdasági zónánként összesített számát. Látható, hogy az elmúlt harminc évben igen komoly szellemi és gazdasági erõk fordítódtak a transzformációs technológiák tökéletesítésére, a transzformáns növények alap- és alkalmazott kutatásban történõ felhasználására és a GM-növények vizsgálatára. Különösen elgondolkodtató a nyugat-európai országok vezetõ szerepe a publikálásban és így a kutatásban, amikor ismert, hogy a GM-növények termesztése sokkal kevésbé jelentõs Európában, mint az amerikai kontinensen.

Clive James (2006) adatai szerint az európai részesedés a GM-növények vetésterületébõl kevesebb mint 0,5 %, ugyanakkor a biotechnológiai fajták világméretû elterjedése megállíthatatlan (2. ábra). Ezek a tények világosan szemléltetik az ún. „európai paradoxon” lényegét: az öreg kontinensen születõ szellemi termékek gazdasági haszna nem ebben a régióban realizálódik.

A transzgénikus növények jelentõségének ugrásszerû növekedése többféle tényezõre vezethetõ vissza. A génizolálási programok kiterebélyesedésének köszönhetõen igen sok érdekes gén (candidate genes) került a kutatók, cégek látókörébe. Ezek szerepét, gazdasági jelentõségét megbízhatóan transzgénikus növények elõállításával lehet tisztázni. Akár a gén mûködésének felfokozása, például promotercserével, akár a gén kikapcsolása, például RNS-interferenciával, megvalósítható génbeépítéssel, és a transzgénikus növények biokémiai, élettani vagy agronómiai jellemzése megbízhatóan elvégezhetõ.

A génbeépítés még továbbra is elsõsorban tenyésztett testi sejtekbe történik. Ennek megfelelõen biztosítani kell a transzformált sejtek szelekcióját és felszaporítását. A szelekciós markerek között háttérbe szorulnak az antibiotikum-rezisztenciát okozó gének, és helyettük gyomirtószer-ellenállóságot nyújtó gének használata kerül elõtérbe. Számos eredmény született, amely a szelekciós marker nélkül vagy késõbbi eltávolításával biztosítja a transzformáns növények azonosítását.

A legújabb fejlesztések fontos törekvése, hogy csak növényi eredetû DNS-szekvenciák kerüljenek felhasználásra a génbeépítés során. Mint ismeretes, az Agrobacterium talajbaktérium plazmidjára alapozott transzformációs vektorokban ún. határszekvenciák biztosítják az idegen gén integrációját. Ezen 25 bázispár nagyságú szakaszok növényi homológját sikerült azonosítani, ami lehetõvé teszi a bakteriális szekvenciák elhagyását a transzformációs vektorokból. A kizárólag burgonya DNS-t tartalmazó vektor közvetítésével a gumók tárolhatóságát (kevesebb cukorfelhalmozódás) és a burgonya Phytophthora-ellenállóságát sikerült javítani (Rommens et al., 2006).

A növényi biotechnológusok jogos elvárása, hogy a törvényi szabályozás tegyen különbséget transzgénikus és ciszgénikus növények között (Schouten et al., 2006). Az utóbbiak olyan, géntechnológiával elõállított növények, amelyek vagy csak a saját, vagy keresztezhetõ fajok DNS-szekvenciájának beépítésébõl származnak, mint az elõbb említett burgonyatranszformánsok. Ebbõl következik, hogy a ciszgénikus növények lényegében nem különböznek a hagyományos nemesítéssel elõállított társaiktól. Súlyos ellentmondása a jelenlegi szabályozási rendszernek, hogy a folyamat és nem a termék szolgál a törvényi minõsítés alapjául. A géntechnológia, a rekombináns-DNS-módszerek felhasználása a fajta-elõállító nemesítés során már elegendõ a megbélyegzésre, és sokféle hátrány sújtja azokat, akik a GM-fajták használatával javítják a növénytermesztés gazdaságosságát, a termékek egészségkímélõ sajátosságait vagy csökkentik a környezet szennyezését. Az egyes termékek egyedi értékelésére lenne szükség, figyelembe véve a felhasznált gént, annak termékét, illetve a befogadó növényfajt. Törvényt alkotni egyetlen GM-hibridkukorica tiltása céljából egyedülálló furcsaság a magyar agrárium történetében. Ez egy olyan kuriózum, amelyet biztosan a rövidlátás példájaként tart majd számon az utókor, miután a géntechnológia növénynemesítési felhasználása mindennapi gyakorlattá válik a közeli jövõben, és a növényfajták szinte mindegyike a molekuláris nemesítési módszerek felhasználásával készül.


Funkcionális genomikától

a virtuális növényekig


A géntechnológia, a transzformáns (GM) növények növekvõ szerepe mind az alapkutatásban, mind a fajta-elõállításban összefügg a genomikai megközelítések elterjedésével, hiszen a gének sokasága vár funkcionális vizsgálatra. A genomika korszakának kezdetét az élõ szervezetek teljes DNS-állományának megszekvenálásához köthetjük. A lúdfû (Arabidopsis thaliana), a növényi molekuláris biológiai kutatások legfontosabb modellnövénye, volt az elsõ növényfaj, amely esetében ismertté vált a DNS-t felépítõ nukleotidok sorrendje (Arabidopsis Genome Initiative 2000). A mezõgazdasági növények sorában a rizsgenom megszekvenálása jelentett fontos mérföldkövet, hiszen a rizs, ha bizonyos korlátokkal is, a gabonafélék modellnövényének tekinthetõ (International Rice Genome Sequencing Project 2005). A térképezésre épülõ szekvenciaadatok komputeranalízise alapján 37 ezerre tehetõ a rizsgének száma. A lúdfû-, a rizsadatbázisok bárki számára hozzáférhetõk, és a bioinformatikai eszközcsomagok nélkülözhetetlen segítõi a génekkel folyó mérnöki munkáknak. A nyárfa- és kukoricagenom-szekvenálási programok szintén elõrehaladott fázisban vannak, de az adatok csak korlátozottan érhetõk el. Legújabban a pillangósvirágúak modellnövényeinek, mint a Medicago truncatula és a Lotus japonicus, közölték a DNS-szekvenciáját (Cannon et al., 2006). A módszerek tökéletesedésének köszönhetõen nem reménytelen vállalkozás olyan hatalmas genomok, mint például a búzáé, megszekvenálása. A búza 16 000 Mb méretû genomja negyvenszer nagyobb, mint a rizsé, mégis nemzetközi összefogással elindítottak egy világméretû programot a „Búzagenom-szekvenálási Konzorcium” keretében ( http://www.wheatgenome.org ).

A genetikai információt hordozó nukleotidsorrendek adatbázisai ámulatba ejtõ mértékben gyarapodnak, és ez egyben fokozódó kényszert jelent, hogy kapcsolatot teremtsünk a DNS-szekvenciainformációk és a gének funkciója, illetve az élõ szervezetek tulajdonságai között. A funkcionális genomikára vár ez a feladat, melynek teljesítéséhez új technológiák kellenek. Bármely gén szerepét jobban megismerhetjük, ha jellemezzük a gén kifejezõdésének mikéntjét. A génkifejezõdési mintázat mutatja, hogy a vizsgált gén milyen szervben, sejtekben, mikor és milyen erõsséggel mûködik. Általában a gének csoportjai vesznek részt egy-egy sejtállapot vagy válaszreakció kialakításában. Így olyan módszerek kellenek, amelyek sok gén mûködésérõl tájékoztatnak. A DNS-chip és macroarray-technológiák akár több tízezer gén aktivitását is követhetik, ezzel adnak átfogó képet a növény, a sejtek fiziológiai folyamatairól.

A klímaváltozás tényei elõtérbe helyezik gazdasági növényeink alkalmazkodó képességének javítását szélsõséges idõjárási viszonyok között. Az aszályok okozta károk mértékét megtapasztalhattuk a 2003. évben, amikor a búza országosan 25 %-kal termett kevesebbet. Természetesen voltak búzafajták, amelyek a vízhiány ellenére csak kismértékben vesztettek termõképességükbõl, míg találhattunk olyan genotípusokat is, amelyek szárazság idején beszüntették növekedésüket, leállították a fotoszintézist, így a szemek feltöltõdése elmaradt. Az eltérõ stresszválaszok mögött meghúzódó génexpressziós változásokat Györgyey János és munkatársai 10 ezer árpagént hordozó macroarray hibridizációval vizsgálták. Az aszálytûrõ Plainsmann-fajta és a túlélés érdekében keveset termõ Kobomugi-genotípus növényei egyaránt ezernél több gén mûködését változtatták meg a hosszabb ideig tartó vízhiány közepette. Ugyanakkor alapvetõ különbségek tapasztalhatók a gének körét és a kifejezõdés jellegét tekintve. A 3/A. ábra példaként bemutatja azon gének egy csoportját, amelyek csak a Kobomugi-genotípus gyökerében aktiválódtak a vízhiány alatt. A 3/B. ábra kiemeli ebbõl a csoportból a glüoxaláz II gén mûködésének jellemzõit. Látható, hogy ez a gén a stresszkezelés második hetében mutatja kifejezõdésének maximumát.

Számos oxidatívstressz-válasszal összefüggõ gén fejezõdik ki a Kobomugi-genotípusban, amelyek a Plainsmann-fajta reakciójában nem érintettek. A génkifejezõdési mintázatok alapján azonosítható azon gének csoportja, amelyek lényegesen nagyobb mértékben aktiválódnak a Plainsmann-fajtában, mint a Kobomugi-genotípusban (3/C. ábra). E csoport tagja egy receptorkinázgén, amely folyamatosan több mRNS-t termel a vízmegvonást követõen (3/D. ábra). A szárazságadaptáció javítását célzó génbeépítések számára ezek a típusú gének kiemelt jelentõséggel bírnak.

A génkifejezõdés egy egész genomra kiterjedõ vizsgálata csak egyik eleme a rendszerbiológiának. A transzkriptumok mintázatából levonható következtetések mellett szükség van a fehérjék átfogó analízisébõl származó adatok figyelembevételére is. A fehérjék kétdimenziós szétválasztását követõen az egyes fehérjék megfesthetõk és gélbõl izolálhatók a tömegspektroszkópiával történõ aminosav-szekvenáláshoz. Így a peptidadatbázisok segítségével a fehérjék sokasága azonosítható, illetve a transzkriptom- és proteomadatok integrálhatók. A fehérjék mûködésének szabályozásában kiemelt szerepe van az utólagos módosításoknak, mint például a foszforilációnak vagy ubiquitinálásnak. A fehérjék közötti kölcsönhatások feltérképezésére az élesztõ kettõs hibrid rendszert kiterjedten használják a növénykutatásban is. Az analitikai módszerek, a gázkromatográfia, a tömegspektroszkópia tökéletesedésének köszönhetõen az anyagcseretermékek típusa és mennyisége szintén követhetõ nagyszámú növényi mintán. Ezek a metabolomadatok egy újabb dimenziót tárnak fel a sejtek életfolyamatainak komplex vizsgálatában.

Akkor gondolhatunk a növények tudatos megváltoztatására, anyagcseréjük mérnöki alakítására, ha képesek vagyunk az anyagcsereutak hálózatát átfogó matematikai modellekkel felvázolni. A növényi anyagcserét illetõen a rendszerbiológia végsõ célja, hogy a növényekben lejátszódó bioszintetikus folyamatok mindegyikérõl többdimenziós leírást adjon, kidolgozzon egy olyan modellt, amely képes a köztes és végtermékek idõbeni változásait bemutatni a különbözõ típusú sejtekben és szövetekben. Követelmény, hogy predikálható legyen az enzimatikus és nem enzimes átalakulások üteme, az egyes termékek mennyiségének alakulása a különbözõ fejlõdési fázisokban vagy a környezeti behatásokra adott válaszreakciókban. A 4. ábra Rodrigo A. Gutiérrez és munkatársai (2005) nyomán összefoglalja, miként formálódhat egy virtuális növény mint a növények modellje a rendszerbiológia alapjain. A modellel szembeni elvárás, hogy vegye figyelembe a biológiai szervezõdés valamennyi szintjén lejátszódó folyamatokat, így írja le a molekuláris, sejtszintû, élettani, a szervezet egészét érintõ, valamint az ökológiai eseményeket. A rendszerbiológiai megközelítés magában foglalja a kísérleti adatok átfogó körének létrehozását, mint például az érintett gének listázását.

A 3. ábrán az egyes búzagenotípusok jellegzetes géncsoportjait láthatjuk, amelyek aktiválódása sajátos anyagcsere-hálózathoz köthetõ. Az Arabidopsis esetében a http://www.virtualplant.org honlap szolgáltat olyan bioinformatikai eszközöket, amelyek segítségével összetett hálózati rendszerek építhetõk fel. Ez lényegében egy új, integrált adatbázis különbözõ típusú adatok kezelésére annak érdekében, hogy az összetett hálózatokat modellezni lehessen. A mennyiségi modellek általában szelektált sejtfunkciókat analizálnak, és hipotézisek felállítását segítik, így adnak alapot további kísérletek elvégzéséhez. Ezzel egy újabb ciklus kezdõdhet a rendszer biológiájának jobb megértése érdekében.

Az anyagcserefolyamatok modellezésén túl a sejtek vagy a fejlõdõ szervek matematikai reprezentációja részét képezi az in silico növény megvalósításának (Minorsky, 2003). Optikai képalkotási módszerek segíthetnek megérteni, miként épül fel részeibõl a növény, miként illeszkednek az alkotóelemek – fehérjék, fehérjekomplexek, sejtek –, miközben a sejtek osztódnak, megnyúlnak, vagy a növény nõ, fejlõdik és funkcionál. Termesztett növényeink termõképességét döntõen befolyásolja a növény architektúrája, strukturális felépítése és annak módosulása a morfogenezis, egyedfejlõdés során. Ez indokolja, hogy háromdimenziós modellt készítsünk, például gabonanövényekrõl. Tomonari Watanabe és munkatársai (2005) kifejlesztették a 3D virtuális rizsmodellt, amely reprodukálja egyetlen növény strukturális fejlõdését, megbecsülve a bokrosodás és levelek kialakulásának folyamatát. A búzanövények paramétereinek digitalizálására Sass László és munkatársai dolgoztak ki egy módszert, amely lehetõvé tette felvételezési idõpontként nyolc különbözõ irányból készített digitális kép alapján a növény adatainak rögzítését (5. ábra).

A bemutatott néhány példa talán elegendõ annak érzékeltetésére, hogy a növénytudományok új korszakában élünk, és bár még igen messze vagyunk a növények mint komplex biológia rendszerek egészének megértésétõl, a géntechnológia, a genomika által nyújtott részinformációk már ebben a fázisban is sok hasznosítási lehetõséget kínálnak.


A jövõ növényei a biofinomítási

és bioenergiai gazdaságban


Magyarország uniós tagsága elegendõ indok arra, hogy fejlesztési terveink kidolgozásakor figyelemmel legyünk a közösség közép- és hosszú távú stratégiai elképzeléseire, azokra is, amelyek a zöld biotechnológiával kapcsolatosak. Ezen a területen meghatározó jelentõségû dokumentum a Phillipe Busquin nevével jegyzett bizottság által készített értékelés, amelynek címe A jövõ növényei ( http://www.zoldbiotech.hu ). Bár az egész analízis és jövõkép sok tanulsággal szolgál, két idézet különösen fontos lehet a magyar szerepvállalás és versenyképesség szempontjából:

„Európa mezõgazdaságának és élelmiszer-feldolgozó iparának jövõbeni versenyképessége a növénygenomikán, a biotechnológián és azok ötletes alkalmazásán fog múlni”, illetve: „A bioenergia, a bioüzemanyagok és az új bioanyagok elõállítása ugyan még nem széles körû, de nagyszerû lehetõséget kínál a haladásra egy fenntartható, bioalapú gazdaság felé.”

A formálódó tervek, elképzelések több száz milliárd forint értékû beruházás magyarországi megvalósításával szándékoznak lehetõséget teremteni a bioenergia-ipar kialakulásához (B. Papp, 2006). Az energiatermelési technológiák elsõsorban a növényeket hasznosítják mint energiaforrásokat. A fotoszintézis során a Nap fényenergiája alakul át szerves anyagokká, amelyek energiatartalmát szeretnénk hatékonyan kiaknázni. Így a bioenergiai ipar nyersanyagát jelentõ növényi szövetek, szervek felépítése, kémiai összetétele alapvetõen befolyásolja a bioipar versenyképességét. A bioüzemanyagok csak akkor jelenthetnek elfogadható alternatívát a fosszilis energiaforrásokkal szemben, ha garantálható az energianyereség, a környezetvédelmi elõny, valamint a nagymennyiségû biomassza-alapanyag úgy, hogy az élelmiszer- és takarmányellátás ne kerüljön veszélybe. Minthogy Magyarországon a bioetanol-gyártást folytató üzemeink és a tervezett fejlesztések is a keményítõalapú technológiákra épülnek, a kukoricát tekinthetjük elsõ számú energianövénynek. Nem hagyhatók figyelmen kívül azok a tanulmányok, amelyek csak 23 % energiatöbblettel számolnak a kukoricakeményítõbõl történõ bioetanol-gyártás során (Hill et al., 2006). A gazdaságossá tétel egyik útja az, ha új, csökkentett energiaigényû növénytermesztési technológiák révén mérsékeljük az alapanyag-elõállítás költségeit. Már a jelenlegi elsõ generációs GM-növények termesztése módot nyújt az energiai és agrokémiai anyagok felhasználásának csökkentésére (Brookes – Barfoot, 2005). A GM-fajták használatával 172 millió kg-mal csökkent tíz év alatt a növényvédõszer-felhasználás.

Jövõbeni megoldásként érdemes a biofinomítás (Biorefinery) komplex rendszerét mint ígéretes koncepciót felhasználni, és a bioipari fejlesztéseket ezen az alapon megvalósítani. A petróleum-, olajfinomítók analógiájára a biofinomítók a biomassza átalakításához szükséges fizikai, kémiai, biológiai folyamatokat és gépeket arra használják, hogy a termékek sokféleségét állítsák elõ, törekedve a növényi eredetû anyagok maximális hasznosítására. A 6. ábra a búza példáján keresztül mutatja be a gabonaféléket hasznosító biofinomítási rendszer fejlesztett változatát, ami a keményítõ lebontásához szükséges enzimet a technológiai folyamat részeként állítja elõ (Koutinas et al., 2006). A búza- vagy a kukoricakeményítõbõl származó glükózt energiaforrásként hasznosítják a mikroorganizmusok, és így termelnek bioüzemanyagokat (etanol), biológiailag lebontható mûanyagokat (polihidroxibutirát) vagy kémiai alapanyagokat (tejsav) mint értékes energiahordozót vagy ipari nyersanyagot. A biofinomítási rendszer hatékonysága egyaránt függ a keményítõglükóz-átalakulás paramétereitõl, illetve a mikroorganizmusok biokonverziós képességétõl. A keményítõhozam növelését célzó nemesítési programok mellett a keményítõ szerkezetét, termodinamikai tulajdonságait lehetett megváltoztatni transzgénikus burgonyában a szintázenzim génjeinek elhallgattatásával (Kozlov et al., 2006).

Bár a keményítõbõl történõ etanolgyártás önköltsége kedvezõbb, mintha a cellulóz biomasszából nyerjük a fermentációhoz használt glükózt vagy xilózt, mégis a bioüzemanyagok iránti kereslet csak úgy elégíthetõ ki, ha optimalizáljuk a cellulózalapanyagot hasznosító technológiákat is (Gray et al., 2006). Így például géntechnológiával lehetett olyan élesztõtörzseket elõállítani, amelyek mind a glükózt, mind a xilózt képesek alkohollá fermentálni (Jeffries – Jin, 2004). A növényi alapanyag oldaláról a lignintartalom csökkentése javíthatja az enzimatikus hidrolízis hatékonyságát. Génbeépítéssel sikerült a lignintartalmat redukálni nyárfa transzgénikus növényekben (Li et al., 2003). A technológiai fejlesztések irányait látva, várható, hogy a jármûvekbe tankolt bioetanol GM-termékként lesz majd gazdaságos, hiszen mind a mikororganizmus, mind a növény géntechnológiai eredetû. A biofinomítási, fermentációs technológiákkal elõállított környezetbarát mûanyagok (6. ábra) ma már virágzó ipar nyersanyagául szolgálnak. A termelés kibõvítésére adhat lehetõséget, ha magukkal a növényekkel szintetizáltatunk mûanyagot. A polihidroxibutirát szintézisét három enzim végzi. Génjeiket a szárban mûködõ promoterrel lennövényekbe építve biztosítható volt a polimer képzõdése a transzgénikus (GM) növények kloroplasztiszában (Wróbel et al., 2004). Így e növények a rosthozamon túl értékes ipari nyersanyag forrásul is szolgálnak.

A biofinomítási koncepcióba jól beilleszthetõk azok a fejlesztési törekvések, amelyek során a növényeket mint fehérje- vagy gyógyszeralapanyag-gyárakat kívánjuk hasznosítani (Fox, 2006). Világszerte bõvül a biotechnológiai cégek által bevezetésre szánt termékek száma. Sokuk értékelése már a klinikai vizsgálati fázisoknál tart. A termékek között találjuk az inzulint, virtonectint, glükocerebrozidázt, albumint, locteront és különbözõ vakcinákat. A termeltetés egyaránt történik növényi szervekben vagy sejtszuszpenziós kultúrákban. A molekuláris gazdálkodás (molecular farming) az agrárgazdaság új területe, és kár lenne a magyar gazdákat a kínálkozó lehetõségek kihasználásában gátolni. A hazai hasznosítás részben kezdeményezhetõ külföldi technológiák honosításával, illetve a kutatás-fejlesztés forrásait kellene a bioipar jövõbeni kibontakoztatása érdekében kihasználni. A Debreceni Egyetemen az Agrárcentrum által kidolgozott program a kezdeti próbálkozások jó példája.


Elõretekintés


Nem elfogadható, de bizonyos mértékben érthetõ az emberek bizalmatlansága a tudományos kutatás eredményeire épülõ új technológiák biztonságát, hasznosságát illetõen. Különösen nehéz a tisztánlátás, a helyes értékítélet akkor, ha speciális ismeretek szükségesek a termék elõállításának mikéntjérõl, annak használhatóságáról. A géntechnológiával történõ növénynemesítés ügyében fokozza a közvélemény elbizonytalanodását, hogy korábban fel sem merült a kérdés: miként születnek az új növényfajták, amelyeket a szántóföldeken, kertjeinkben nevelünk, és élelmiszerként fogyasztunk. A GM-növények kapcsán nemcsak a géntechnológia részleteirõl kell felvilágosítást adnunk, hanem meg kell értetnünk a nemesítés folyamatát, az új növények bevezetésének rendjét. A közvélemény tájékoztatását, a molekuláris biológiai ismeretterjesztést végtelenül megnehezíti, hatástalanítja a GM-növények körül kialakult hisztérikus vita. Az egymásnak ellentmondó érvek záporában még a jó szándékú érdeklõdõk elõtt is tisztázatlan marad az igazság. Pedig a bemutatott példák tanúsága szerint igen intenzív kutatás folyik a transzgénikus, GM-növényekkel világszerte. Az agronómiai szempontból jelentõs gének azonosítása, izolálása folyamatosan új géntechnológiai megoldásokat kínálnak. A cégek fejlesztõ munkája már túllép az elsõ generációs GM-fajták körén. Mind nyilvánvalóbbá válnak az egészségjavító és környezetkímélõ hatások. Nincs igazán akadálya annak, hogy az Európai Unió közösségi stratégiáját követve a lakosság is mindinkább elfogadja a GM-növények használatát mint egy, a sokféleséget elõnyben részesítõ agrárrendszer egyik technológiai elemét. Fokozatosan kiépülnek és megerõsödnek azok a közösségi szervek, amelyek feladata a biztonság garantálása. A klímaváltozás káros következményeinek megelõzésében, a hatások mérséklésében, valamint a megújuló energiaforrások biztosításában a GM-növények szerepe fel fog értékelõdni. A Magyarországon bevezetett törvényi szabályozás a GM-fajták termesztésének ellehetetlenítésével komoly versenyképességi hátrányt jelent a magyar gazdák számára. Minden racionális megfontolás azt sürgeti, hogy alkalmazkodnunk kell majd az uniós gyakorlathoz a jogi keretek megváltoztatásával is. Nincs igazán megalapozott tudományos, környezetvédelmi, akár gazdasági indoka annak, hogy a magyar gazdákat megfosszuk a növénytermesztési technológiák közötti választás lehetõségétõl és a GM-növények által biztosított gazdasági elõnyöktõl.


Kulcsszavak: géntérképre alapozott klónozás; cDNS-könyvtár; GM-növények; funkcionális genomika; szárazság; rendszerbiológia; biofinomítás; bioetanol

Irodalom

B. Papp László (2006): Bioenergia: több százmilliárdnyi beruházás. Népszabadság. 2006. október 11. szerda.

Brookes, Graham – Barfoot, P. (2005) GM Crops: The Global Economic and Environmental Impact - The First Nine Years 1996-2004. AgBioForum. 8: 187–196, http://www.agbioforum.missouri.edu/v8n23/v8n23a15-brookes.htm

Cannon, Stefen B. – Sterck, L. – Rombauts, S. et al. (2006): Legume Genome Evolution Viewed through the Medicago truncatula and Lotus japonicus Genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 103, 40, 14959–14964.

Dudits Dénes (2003): A génkutatás – genomika szerepvállalása a növények nemesítésében. Magyar Tudomány. 10, 1263–1272.

Dudits Dénes – Heszky László (2003): Növényi biotechnológia és géntechnológia. Agroinform, Budapest

Fox, Jeffrey L. (2006): Turning Plants into Protein Factories. Nature Biotechnology. 24, 10, 1191–1193.

Gray, Kevin A., – Zhao, L. – Emptage, M. (2006): Bioethanol. Current Opinion in Chemical Biology. 10, 141–146.

Gutiérrez, Rodrigo A. – Shasha, D. E. – Coruzzi, G. M. (2005): Systems Biology for the Virtual Plant. Plant Physiology. 138, 550–554.

Hill, Jason – Nelson, E. – Tilman, D. et al. (2006): Environmental, Economic, and Energetic Costs and Benefits of Biodiesel and Ethanol Biofluels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 103, 30, 11206–11210.

James, Clive (2006): Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops. ISAAA Briefs No 35; http://www.isaaa.org/Resources/Publications/briefs/35/executivesummary/default.html

Jeffries, T. W. – Jin, Y. S. (2004): Metabolic Engineering for Improved Fermentation of Pentoses by Yeasts. Applied Microbiology and Biotechnology. 63, 495-509.

Koutinas, A.A. – Arifeen, N. – Wang, R. et al. (2006): Cereal-based Biorefinery Development: Integrated Enzyme Production for Cereal Flour Hydrolysis. Biotechology and Bioengineering. DOI 10.1002/bit 21206

Kozlov, Sergey S. – Blennow, A. – Krivandin, A. V. et al. (2006): Structural and Thermodynamic Properties of Starches Extracted from GBSS and GWD Suppressed Potato Lines. Biological Macromolecules. DOI 10.1016/j.ijbiomac.2006.11.001.

Li, Yahong – Kajita, S. – Kawai, S. et al. (2003): Down-regulation of an Anionic Peroxidase in Transgenic Aspen and its Effect on Lignin Characteristics. Journal of Plant Research. DOI 10.1007/s10265-003-0087-5.

Mansoor, Shahid – Amin, I. – Hussain, M. et al. (2006): Engineering Novel Traits in Plants through RNA Interfences. Trends in Plant Science. 11, 11, 559–565.

Minorsky, Peter V (2003): Achieving the in Silico Plant. Systems Biology and the Future of Plant Biological Research. Plant Physiology. 132, 404–409.

Rommens, Caius, M. – Ye, J. – Richael, C. et al. (2006): Improving Potato Storage and Processing Characteristics through All-native DNA Transformation. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 54, 9882–9887.

Schouten, Henk J. – Krens, F. A. – Jacobsen, E. (2006): Cisgenic Plants Are Similar to Traditionally Bred Plants. EMBO Reports. 7, 8, 750–753.

Vain, Philippe (2006): Global Trends in Plant Transgenic Science and Technology (1973-2003). Trends in Biotechnology. 24, 4,: 206–211.

Watanabe, Tomonari – Hanan, J. S. – Room, P. M. et al. (2005): Rice Morphogenesis and Plant Architecture: Measurement, Specification and the Reconstruction of Structural Development by 3D Architectural Modelling. Annals of Botany. 95, 7, 1131–1143.

Wróbel, Magdalena – Zebrowski, J. – Szopa, J. (2004): Polyhydroxybutyrate Synthesis in Transgenic Flax. Journal of Biotechnology. 107, 41–54.



1. ábra • A transzgénikus növényekkel foglalkozó tudományos és technológiai közlemények száma az elmúlt harminc év során az egyes gazdasági régiókban. – D: transzgénikus technológiák fejlesztése; A: a transzgénikus technológia nem GM-növény célú felhasználása; G: A transzgénikus technológia felhasználása GM-növény vagy takarmányhasznosítás céljából. (Vain, 2006)


2. ábra • A GM-növények világméretû elterjedése. (James, 2006)


3. ábra • Vízhiányban nevelt búzák gyökereiben genotípustól függõ jellegzetes kifejezõdési mintázatot mutató géncsoportok azonosíthatók. A Kobomugi-genotípus túlélési stratégiát követve, keveset terem, míg a Plainsmann-fajta szárazságtûrõ. (Györgyey és munkatársai kísérlete)


4. ábra • A növények modellje, egy virtuális növény megalkotásának rendszerbiológiai folyamata, amely figyelembe veszi a különbözõ szervezõdési szinteket. A kísérleti adatok integrálása után kerül sor modellalkotásra, ami lehetõvé teszi a hipotézis megalkotását. (Gutiérrez et al., 2005)


5. ábra • Egy búzanövény valós és digitalizált képe a morfológiai paraméterek kvantitálása érdekében (Sass László és Vass Imre kísérlete).


6. ábra • A búzaszem mint egy korszerû biofinomítási rendszer nyersanyaga

<-- Vissza a 2007/04 szám tartalomjegyzékére

<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra

[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]