MEZÕGAZDASÁGI BIOTECHNOLÓGIÁK

Átírás

1 MEZÕGAZDASÁGI BIOTECHNOLÓGIÁK Fák genetikai módosításának legújabb eredményei Tárgyszavak: erdei fák; génmódosítás; szövettenyésztés; ellenállás kártevőknek; lignin módosítása. A hagyományos növénynemesítés hosszú reprodukciós ciklusának hátránya fák esetében fokozottan érvényesül, súlyosbítva a megtermékenyítés önkompatibilitásával és nagyfokú heterozigózissal. Mára a beavatkozások géntechnikai útja a fanemesítés előtt is megnyílt azáltal, hogy kidolgozták a fákból nyert szövetek in-vitro tenyésztésének és genetikai módosításának módszerét, továbbá sikerült felderíteni néhány fontos fejlődési anyagcsere-folyamatot, pl. a lignin szintézisének és a virágzás megindításának mechanizmusát. Szövettenyésztés és géntechnikai átalakítás A gyomirtókkal és antibiotikumokkal szembeni ellenállást kódoló géneket hagyományosan zárvatermő növények esetében Agrobacterium fajok segítségével, nyitvatermőknél mikrobombázással juttatják a fagenomba. A nem transzformált regenerátumok gyakoriságának, ezek körülményes azonosításának és eltávolításának gondját újabban enyhíti jól választott Agrobacterium tumefaciens törzs módosított virulencia-(vir-) génjének használata (1999), valamint működésének molekuláris biológiai megismerése (2001). A teljes fa szövettenyészetből kétféleképpen regenerálható: organogenezissel, vagyis szerv kifejlesztésével szövetdarabból vagy sejtmagból, valamint szomatikus embriogenezis, azaz embrió létrehozása útján sejtből (nem ivarsejtből). Az organogenezis nem minden fafajra, az embriogenezis viszont általánosan alkalmazható a teljes növény kifejlesztésére. Ezen az úton az 1990-es években több gazdaságilag jelentős fafaj, pl. mogyoró, vadgesztenye, avokádó, lucfenyő genetikai módosításáról számoltak be. Ez azonban minden esetben csak magból nyert zigóta-embrióból sikerült. Idegen gén bevitele mag

2 vagy palánta szövetébe, sejtjeibe kevésbé megbízható módszer, mint klónozott növényi szövet átalakítása, mivel az ivaros fokozaton áthaladva a genom erősen átrendeződhet, és ismeretlen tulajdonságú transzgénikus növény fejlődhet ki. Az in vitro organogenezisre képes fajok sziklevelét, levéllemezét és gyökérdarabját használják transzformálásra. Lombos fák közül nyír-, nyár-, akác és eukaliptuszfajtákkal kísérleteztek, de a módszer csak néhány nyárhibrid esetében vált rutinná. Nyárfa genetikai módosításáról 15 évvel ezelőtt jelent meg az első közlemény, de azóta több cikk ad róla hírt, mint más erdei fákról összesen. Újabban (2000-ben) transzgénikus akác, szil és szelídgesztenye regenerálásáról is beszámoltak. A gyümölcsfák közül organogenezissel transzgénikus almát, körtét, citrusféléket, szilvát és barackot állítottak elő, általában mag- vagy palántaszövetből. Kifejlett genotípusból in-vitro növesztéssel ez csak nyár, eukaliptusz, alma és körte esetében sikerült. Fatulajdonságok javítása géntechnikával A teljes érettségig tartó első fejlődési szakasz hosszúsága akadályozta a legtöbb fafaj sikeres nemesítését. A növényi genetikai kísérletekben gyakran szereplő Arabidopsis korai virágzást indító génjeinek egyike az LEAFY vagy LFY a normálisan 8 20 évesen virágzó rezgőnyárfát már hét hetes korában virágzásra késztette, de a virágok nem termeltek pollent. A transzgénikus Arabidopsisban az APETALA1, vagy AP1 gén szintén sietteti a virágzást, de más (távoli rokon) növényekre hatástalan. Ezzel szemben citrusfélékben mind az LFY-, mind az AP1-gén megrövidítette a virágzásig tartó szakaszt. A transzgénikus növények normális virágokat és magvas gyümölcsöket hoztak. Ezeket a tulajdonságokat örökölték az utódok, így a nemzedékváltás magtól magtermésig 1 évet vett igénybe. A két gén közül az AP1 előnye, hogy az LFY-génnel ellentétben nem idéz elő sem növekedési, sem fejlődési rendellenességet. Ez a gén feltehetőleg más fafajtákban is eredményes lehet. A géntechnikai beavatkozások másik területe a fák nagyságát, alakját és teljesítményét szabályozó hormonok szintézisgénjeinek megváltoztatása. Az Agrobacterium fajok T-DNS-génjei közül az A. tumefaciens auxin- és a citokininszintézis génjének expressziója nyárfában megváltoztatta a növekedési jellemzőket és a faminőséget, az A. rhizogenes rola-, rolb- és rolc-gén, a hormonmetabolizmus módosításával fokozta transzgénikus nyár- és gesztenyefa gyökérképződését, ugyanezen génekkel alma- és narancsfák törpenövését tudták előidézni.

3 A faméret módosításának további lehetősége az Arabidopsis giberellin- (GA) 20-oxidáz pozitív és ellenirányú, valamint más GA-katabolizáló enzimeket kódoló gének expressziója transzgénikus fákban. Pl. a GA20-oxidáz minden irányban fokozta gesztenyefák növekedését, növelte biomasszájuk tömegét és rostjainak hosszát is. Feltételezhető, hogy ugyanazon enzim ellentétes irányú expressziója kisebb fákat eredményez, lehetővé téve a sűrűbb ültetést, könnyebb szüretelést kevesebb élőmunkával. Ellenállás kártevőknek és betegségeknek A levélpusztító kártevők hatása kiterjed a fa általános állapotára, növekedésére és mindennemű hozamára, de pusztulását is okozhatja. A Bacillus thuringiensis (Bt) génjét számos termény védelmére sikeresen használják, de a rendszerint nagy területű erdőgazdaságokban ez nehezebben oldható meg. Ennek ellenére az újabb szakirodalom (1998) beszámol a Bt-toxin lárvákat távoltartó, ill. lárvaölő gén expressziójáról alma-, nyár- és erdeifenyőfában és mogyoróban. A rovarrezisztencia kifejlesztésének korszerű módszerei természetes anyagok hatására alapozzák a beavatkozásokat, pl. olyan géntechnikai módosítást hajtanak végre, amely által a növény a rovar emésztőenzimjeinek működését gátló proteináz-inhibitort termel. Transzgénikus nyárfában a proteingátló gén a Bt-toxinéhoz hasonló hatást fejt ki a kártevőkre. Ugyancsak jó eredmények születnek a növények genetikai módosításakor a kórokozókra épülő ellenállás elvének alkalmazásával vírusokkal szemben is. Ez esetben bizonyos beültetett vírusszekvenciák expressziója a növényben megszakítja ugyanazon vagy rokon vírus életciklusát, és ezzel fertőzőképességét is. Egy évi közlemény szerint a szilvahimlővírus burokfehérjegénje transzgénikus Prunus-fajokban (csonthéjasgyümölcsfákban) nagy fokú ellenállást fejtett ki a vírus ellen. A növényi baktérium- és gombarezisztencia géntechnikai kifejlesztésére különféle eljárásokat javasolnak, köztük nem növényi eredetű baktérium- és gombaölő hatóanyagok termeltetését. Pl. alma- és körtefának a tűzelhalást okozó Erwinia amylovara ellen védelmet nyújtott a módosítás egy rovarokból nyert, oldó hatású peptideket kódoló génnel. Az erdei fák mikroorganizmusok okozta betegségei elleni védekezés még a fejlődés korai szakaszában van, de kanadai kutatók már beszámolnak (2000) természetes és szintetikus peptidek erdei kórokozókra gyakorolt in-vitro szaporodásgátló hatásáról. Egy ugyancsak évi közlemény arról ad hírt, hogy egy a Trichoderma harzianum parazitagombából nyert gombaölő endokitináz génnel almafát módosítottak a Venturia inaequalis gomba okozta varasodás elleni védelem céljából. Ez bizonyos fokban sikerült is, de a gén expressziója ártott a fa növekedésének. Ugyanez a génkonstrukció ígéretesnek mutatkozik az erdei fenyő

4 gombás gyökérrothadása és az ugyancsak gomba (Cronartium ribicola) általi hólyagos rozsdásodás ellen, amely a 20. században nagy pusztítást okozott Észak-Amerika ott honos jegenyefenyő-fajtájának (Pinus strobus) populációiban. Lignin és cellulóz módosítása A lignin a cellulóz után a bioszféra második legelterjedtebb szerves anyaga, a fák száraz anyagának 15 35%-át képezi. A lignin bioszintézise összetett folyamat, és eltérő a fák egyes fejlődési csoportjaiban. Alapvetően három prekurzor oxidatív polimerizálása útján képződik: 4-hidroxi-fahéj-alkoholból hidroxi-fenil- (H-), koniferil-alkoholból guajacil- (G-), szinapil- (mustár-) alkoholból sziringil- (S-) ligninegységek jönnek létre. A prekurzorok közti változó molekulán belüli kapcsolódások által különféle kémiai szerkezetű ligninek alakulnak ki. Pl. a zárvatermő (lombhullató) fák ligninje nagyrészt S-egységekből áll, amely papírgyártáskor könnyen kivonható a pépből kémiai úton. A nyitvatermők (fenyők) ligninjét főként nem extrahálható G-egységek alkotják. A lignin-bioszintézis bonyolultsága ellenére sikerült előállítani csökkent vagy módosított ligninartalmú transzgénikus fákat. A csökkentést két enzim, a 4-kumarát-CoA-ligáz (4CL) és a fahéj-alkohol-dehidrogenáz- (CAD) képződés visszaszorításával érték el. A transzgenikus 4CL-nyárfákban 45%-kal kevesebb lignin és 9 15%-kal több cellulóz termelődött, megváltozott hemicellulózaránnyal. A CAD-vonal fái könnyebben kivonható lignint szintetizáltak. Talajremediálás növényekkel Szennyezett talajból az ártalmas anyagok kivonására mikroorganizmusokon kívül növények is használhatók. A megfelelő bakteriális méregtelenítő génnel módosított nyárfa lebontja a talajt szennyező klór-fenolokat, pl. a triklór-etilént. Higanyreduktáz génjét tartalmazó transzgénikus nyárfák pedig nagy merkuriion-koncentrációt képesek gyökereikkel felszívni és szöveteikben fenntartani. A talaj növényi gyógymódja, a fitoremediálás hátránya a kiültetett facsemeték hosszú fejlődési ciklusa, nagy előnye viszont, hogy más eljárásokhoz képest technikailag és gazdaságilag egyaránt igénytelen, így kedvezően alkalmazható iparilag elszennyezett, használaton kívüli nagy területek helyreállítására. Kísérleti telepítések a fák különféle kémiai szennyezések eltávolítására alkalmas genetikai módosításával, jó eredménnyel zárultak.

5 A transzgénikus környezetszennyezés kérdései A beavatkozás alkalmával az idegen DNS véletlenszerűen épül be a növényi genomba, egy vagy több helyen és egy vagy több másolatot képezve. A transzgén expresszióját befolyásolja a befogadás helye a genomban és a beépülő gén(ek) alakja. Megfigyelték az expressziónak a sejtek és szövetek metabolikus állapotától függő ingadozását, olykor a transzgén szilenciumát, vagyis expressziójának átmeneti vagy késleltetett érvényesülését is. Az expresszió ingadozásának és hallgatásának megelőzésére alkalmasnak bizonyult az idegen DNS-szakaszokhoz ún. mátrixrégiók (matrix attachment regions, MAR) vagyis a sejtmagmátrixhoz speciálisan kötődő DNS-elemek csatlakoztatása. MAR-telepítés uid1 jelző transzgénre fokozta és stabilizálta annak expresszióját nyárfapalántákban és jegenyefenyő embriógén szövetében. Jelenleg kiterjedt kísérleti nyár-, alma-, szilva-, citrom-, narancs-, mogyoró-, erdeifenyő- és eukaliptuszültetvényeken tanulmányozzák éveken át Európában és Amerikában a transzgén beépülésének stabilitását különböző környezeti feltételek mellett. Tekintettel a transzgénikus fák várható nagy erdő- és mezőgazdasági hasznára, a nagyméretű telepítésük előtt fontos szabadba jutásuk kockázatának becslése, ugyanis pl. a növénybetegségek és kártevők elleni rezisztenciagének átvitele vad rokonfajtákra gyomok és vad egyedek elburjánzását vonhatja maga után. Javasolták ennek elkerülésére hím- vagy női sterilitás genetikai előidézését erdei fafajok homöotikus virágzásszabályozó génjeinek felhasználásával. Az eredmény azonban félresiklott, a több gén túlexpressziója által kiváltott fejlődési rendellenességek felé. Mivel a fák viszonylag sokáig maradnak a környezetben, elengedhetetlen a teljes biztonság, különben a transzgénikus fák természetes közegükben gyomnövénnyé válhatnak. A biztonság feltételei közé tartozik a gyökerek és a talaj közötti kölcsönhatások tanulmányozása is, mivel a fák fontos szerepet töltenek be a talaj mikrobiális diverzitásának fenntartásában. (Dr. Boros Tiborné) Pena, L.; Séguin, A.: Recent advances in the genetic transformation of trees. = Trends in Biotechnology, 19. k. 12. sz p Merkle, S. A.; Dean, J. F.: Forest tree biotechnology. = Current Opinion Biotechnology, 11. k. 3. sz p

6 Géntechnika Kína földművelésében HÍR Kínában valósul meg az USA-é után a világ második legnagyobb GMprogramja, vagyis genetikailag módosított haszonnövények nagyméretű termesztése, amely a kínai szegény parasztság számára is igen előnyösnek bizonyult. Az állami alkalmazásban levő biológusok a nyugati társaságoknál nem szereplő terményekkel is kísérleteznek, és a környezetvédőkkel nem törődve gyorsan áttérnek a szabadföldi kipróbálásra. A Kaliforniai Egyetemről a Pekingi Tudományos Akadémia által meghívott tanácsadók megtudták, hogy Kínában ez ideig több mint 120 gént építettek be mintegy 50 növényfajba. Ellentétben a gyomirtókkal szembeni rezisztenciát szorgalmazó nyugati társaságokkal, Kínában a kísérleti földek 90%- ában rovaroknak és betegségeknek ellenálló növényeket termesztenek, hogy megtakarítsák a drága és veszélyes kártevők elleni szereket. Kifejlesztettek a három legelterjedtebb kártevő elleni rizsváltozatokat és kísérleteznek GM-búzával is. Kereskedelmi forgalomban van mindennemű kártevőknek ellenálló gyapot, paradicsom, paprika. A fejlesztés végső szakaszában pedig burgonya, repce, kukorica, káposzta, papaja és dohány. A legnagyobb sikert egy, a Bacillus thuringiensis rovarölő génjével módosított kínai fejlesztésű GM-termékkel, a Bt-gyapottal érték el óta van a piacon. Jelenleg 2 millió kínai gazda termeszti 7000 km 2 szántóföldön. Felhasználóinál a gyapottermelés költsége 28%-kal csökkent, jövedelme pedig évi 150 USD-vel nőtt, miközben 80%-kal kevesebb kártevők elleni szert, köztük szerves foszfátot használnak fel az országban. Kína rövidesen exportálni fog géntechnikailag módosított vetőmagokat más fejlődő országokba, ugyanakkor ilyenek behozatalát szigorúbban kívánja szabályozni. A pekingi A természet barátai egyesület elnöke egy felvetésre válaszolva úgy nyilatkozott, hogy a módosított terményeknél sokkal súlyosabb környezeti problémák is vannak Kínában. Európából ( A föld barátja az Egyesült Királyságban) elmarasztalóbb kritika is elhangzott: Csak idő kérdése, hogy a rovarokban kialakuljon az ellenállás: a kínaiak most éppen egy másikkal helyettesítették a fenntarthatatlan fejlődés egyik formáját. (New Scientist, 173. k sz febr. 2. p. 12.)

7