ZÖLD GÉNTECHNOLÓGIA ÉS AGRÁRINNOVÁCIÓ

ZÖLD GÉNTECHNOLÓGIA ÉS AGRÁRINNOVÁCIÓ

.

ZÖLD GÉNTECHNOLÓGIA ÉS AGRÁRINNOVÁCIÓ Gazdafórum az Akadémián Szerkesztette: Dudits Dénes SZEGED, 2009

Szerkesztő: DUDITS DÉNES Szerzők: DUDITS DÉNES, KISS JÓZSEF, KÁDÁR FERENC, PÁJTLI JÓZSEF, PÁLINKÁS ZOLTÁN, POPP JÓZSEF, POTORI NORBERT, ROSZÍK PÉTER, SZEKERES DÓRA, SZÉNÁSI ÁGNES, VÉRTES CSABÁNÉ Nyelvi lektor: PALOJTAY BÉLA Borítóterv és fotó: AYAYDIN FERHAN Hátsó borító fotó: DUDITS DÉNES BARABÁS ZOLTÁN BIOTECHNOLÓGIAI EGYESÜLET, SZEGED, 2009 Felelős kiadó: DUDITS DÉNES Kiadványterv és tördelés: Fazekas Gábor Nyomdai kivitelezés: Winter Nyomda Kft., Szeged (62) 432-027 Ügyvezető igazgató: Puskás Noémi ISBN 978-963-06-7742-4 Minden jog fenntartva. Bármilyen sokszorosítás, másolás, illetve adatfeldolgozó-rendszerben való tárolás a kiadó előzetes írásbeli hozzájárulásához kötött. Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesület, 2009 Dudits Dénes, 2009

Tartalom Tartalom AJÁNLÁS 7 1. GÉNMŰVESSÉG ÉS A MODERN NÖVÉNYFAJTÁK SZÜLETÉSE 11 Dudits Dénes 1.1. Élelmiszer- és energiabiztonság: a növénynemesítés szerepvállalása 11 1.2. A génazonosítási és -izolálási stratégiákról általában 15 1.3. A génállomány megváltoztatása izolált agronómiai gének beépítésével: módszerek 22 1.4. A szárazságtűrés javítása géntechnológiával 30 1.5. Betegség-ellenállóság kialakítása rezisztenciagénekkel 42 1.6. A termésösszetevők optimalizálását szolgáló génbeépítések 47 1.7. A zöldenergia hasznosítását segítő gének 53 1.8. Transzgenikus növények mint egészségjavítók és a gyógyszergyártás fermentorai 58 1.9. A géntechnológiával nemesített (GM) növények biztonsága és a környezetkímélő agrotechnológiák megalapozása 71 1.10. A hazai géntechnológia ellenes állami döntéshozatal mint a szakmaiatlan rövidlátás diadala 82 2. AZ AMERIKAI KUKORICABOGÁR EURÓPÁBAN: REZISZTENS KUKORICAHIBRIDEK KÖRNYEZETI HATÁSVIZSGÁLATA EURÓPÁBAN ÉS MAGYARORSZÁGON 101 Szénási Ágnes, Kiss József, Pálinkás Zoltán, Szekeres Dóra és Kádár Ferenc 2.1. Bevezetés 101 2.2. GM növények kibocsátásához kapcsolódó kockázatelemzés és engedélyezés 102 2.3. Környezeti hatásvizsgálatok Európában 103 2.4. Környezeti hatásvizsgálatok Magyarországon 104 2.5. Kártevő Lepidoptera és Coleoptera fajok ellen rezisztens, valamint herbicidtoleráns kukoricahibridek környezeti hatásvizsgálata 104 2.6. Eredmények 106 2.7. Következtetések, javaslatok 107 5

Tartalom 3. ÉLELMISZERÁR-ROBBANÁS ÉS A GM NÖVÉNYEK KORLÁTOZÁSÁNAK GAZDASÁGI HATÁSAI AZ EURÓPAI UNIÓBAN 109 Popp József és Potori Norbert 3.1. Élelmiszerár-sokk: új korszak kezdete? 109 3.1.1. A mezőgazdasági termelést és kereskedelmet befolyásoló ökológiai és biológiai természetű tényezők 112 3.1.2. A makrogazdasági környezet változása 114 3.1.3. Agrár- és kereskedelempolitika 120 3.2. A GM növények termelése a világban 126 3.3. A GM növények jelentősége a bioetanol-előállításban 129 3.4. GMO-szabályozás az Európai Unióban 131 3.4.1. Az engedélyezési eljárás a gyakorlatban 133 3.5. A nem engedélyezett GM növények gazdasági hatása az EU takarmányimportjára 135 3.5.1. Gabonafélék és származékaik importja 135 3.5.2. Fehérjetakarmány-import 137 3.6. Modell-szcenáriók 142 3.6.1. A fehérjetakarmány helyettesítésének lehetősége 144 3.6.2. Következmények az állattenyésztésre 144 3.7. Összefoglalás és következtetések 146 4. A GENETIKAILAG MÓDOSÍTOTT SZERVEZTEK MAGYARORSZÁGI FELHASZNÁLÁSÁNAK TÖRVÉNYI ÉS HATÓSÁGI SZABÁLYOZÁSA 153 Vértes Csabáné 4.1. Engedélyezés 159 4.2. Eredetvizsgálat 163 4.3. Fajtaelismerés, köztermesztés 164 4.4. Ellenőrzés 167 4.5. Összefoglalás 169 5. AZ ÖKOLÓGIAI GAZDÁLKODÁS ÉS A NÖVÉNYI GÉNTECHNOLÓGIAI VISZONYA 173 Roszík Péter 5.1. Bevezetés 173 5.2. A probléma felvetése 176 5.3. A biogazdálkodás főbb kifogásai a géntechnikailag módosított növényekkel szemben 181 5.4. Gazdasági hatások 190 6. GAZDASZEMMEL AZ ÚJGENERÁCIÓS GM NÖVÉNYEK AZ EGYESÜLT ÁLLAMOKBAN 197 Pájtli József 6

Ajánlás Miért van az, hogy a technológia, ami munkát takarít meg, egyszerűbbé teszi életünket, oly kevés örömet ad? Az egyszerű válasz: még nem tanultuk meg ésszerűen használni. Albert Einstein, 1931. Pasadena Ajánlás Mindnyájunk jogos elvárása, hogy korrekt, valósághű ismereteink legyenek a világ minket érintő dolgairól, ideértve a tudományos kutatás és a technológiai fejlődés aktuális kérdéseit is. Különösen érzékenyek vagyunk a biológiai törvényszerűségekre épülő orvos- és agrártudományi felfedezések hasznosítását illetően. Kitüntetett figyelem kíséri az öröklődési anyag, a DNS-molekulák működésének és szerepének megismerését. A genomika korszakában mind tudatosabbá és ezzel irányítottabbá válik a gének szerkezetének alakítása, és így az élőlények, köztük a növények tulajdonságainak befolyásolása az emberi célokat szolgáló génállomány kialakítása végett. A növénynemesítők századok óta a legkülönbözőbb módszerekkel befolyásolják a termesztett fajták génkészletét, ezzel jobbítják a termésbiztonságot, a minőséget. E metodikai eszköztár bővült napjainkban a géntechnológiával, amikor a DNS-molekulák módosítása kémcsőben zajlik, és az új funkciójú géneket építik vissza a növények több tízezer génje közé. Így géntechnológiával történik a fajta-előállítás. Az utóbbi évek tanúsága szerint a GM növények elterjedése megállíthatatlan éppen a gazdasági és környezetvédelmi előnyöknek köszönhetően. A legfrissebb adatok szerint a 2008. évben 125 millió hektáron termesztettek GM (biotech) növényeket a világ 25 országának 13,3 millió farmgazdaságában (James, 2009). Súlyos ellentmondásossága az agrárszereplők érdekeltségének és a társadalmi fogadtatásnak, hogy egyes országok, mint pl. Magyarország hivatalos álláspontja elutasító a zöld biotechnológia nyújtotta fejlesztésekkel szemben. Ezért a helyzetért sokban a tájékozatlanság a felelős, de nem hunyhatunk szemet a politikai indítékok felett sem. A GM növények körüli viták fellángolásai közepette a szakmai színvonal alapján kétségek merülhetnek fel abban, hogy az aktív ellenzők mennyire járatosak a rekombináns-dns módszerek világában, ismerik-e a növénynemesítés fortélyait. Így aztán könnyen elbizonytalanodhatunk az érvek hitelességét illetően és kereshetjük a tényleges ideológiai, politikai vagy akár gazdasági indítékokat. Különösen figyelmet érdemlő logikátlansága a GMO állóháború hazai eseményeinek, hogy éppen a legérintettebbek, a növénynemesítők és a földet művelő 7

Dudits Dénes gazdák véleménye, érdekei szorulnak háttérbe. Ezért a versenyhátrányt okozó helyzetért az illetékes hivatalok felelőssége egyértelmű. Korszerű növényfajták használatára támaszkodó új, környezetbarát agrotechnológiák magyarországi be vezetését hátráltatja a megosztott közvélekedés és az ismeretek hiánya. Ezért a tavalyi év márciusában rendezett Gazdafórum, amelynek fő szervezői a Mezőgazdasági Termelők és Szövetkezetek Országos Szövetsége, az MTA Agrártudományok Osztályának Mezőgazdasági Biotechnológiai Bizottsága és a Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesület voltak, fontos mérföldkő a hazai agrár biotechnológia kibontakoztatásában. Megtört a jég, és maguk a növénytermesztők akarták látni a legújabb kutatási eredményeket, a világtendenciákat és az Európai Unió kockázatértékelési rendszerét. A génmódosított növények hazai termesztésének lehetőségei és kockázata című előadássorozatot követően heves vita alakult ki annak bizonyságául, hogy valóban hiányosak az információk, és élesen ütköznek a vélemények. Így fogalmazódott meg az igény egy olyan tanulmánykötet megjelentetésére, amely az előadók írásait tartalmazva átfogó betekintést ad a központi témákba. Ezúttal köszönjük valamennyi szerzőtársnak, hogy színvonalas írásával segít a tisztánlátásban a zöld géntechnológia szerepének tudományos alapú megismertetésében. A tanulmánykötet megjelentetéséért köszönettel tartozunk a Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesületnek. A kötet nyomdai előkészítésében Keczán Józsefné és dr. Szabad Jánosné lelkiismeretes és kiváló munkája jelentette a színvonal garanciáját. Külön köszönetet mondunk Palojtay Béla nyelvi lektornak alapos és szakszerű segítségéért. A WinterFair Kiadót dicséri maga a megnyerő formátumú könyv. A tanulmánykötet szerkesztője tisztelettel ajánlja ezt a művet dr. Ángyán József és Hegyi Gyula képviselő uraknak, valamint dr. Darvas Béla kutató professzornak, akik a géntechnológiával nemesített növények hazai hasznosításának tiltását harcosan követelik napjainkban. Nem példa nélküli, hogy a növények nemesítőinek ideológiai, politikai kényszerek hatására kell fajta-előállító munkájuk módszereit megválasztaniuk. A múlt század közepén államhatalmi, adminisztratív eszközök biztosították a Micsurini-Liszenkói tanok jegyében a jarovizáció, az oltás útján történő genetikai célú beavatkozások széles körű alkalmazását. A tudománytalan alapokon felépülő világkép hirdetői megtalálták a módját, hogy miként lehet kényszeríteni a növénynemesítőket az ideológiának tetsző metodikák használatára. Kísért a párhuzam, amikor napjaink növénynemesítésének korlátait láthatjuk. Míg a tudományos kutatás állandóan bővülő lehetőségeket nyit a géntechnológia mint nemesítési módszer alkalmazásában, addig törvényalkotásunk, 8

Ajánlás a félretájékoztató médiakampányok, a pártérdekek gátolják az optimális génkészlettel rendelkező, versenyképes növények hasznosítását. Furcsa, logikátlan helyzet, mintha megtiltanánk a házat építő kőműves mesternek a létra használatát, illetve külön szabályoznánk a létrával épített házak lakhatási engedélyét. Abban bízhatunk, hogy a géntechnológiával nemesített növényekkel szembeni előítéletek elkerülhetetlenül meg fognak szűnni, és a gazdák érdekeik szerint választhatják majd meg a fajtákat, függetlenül attól, hogy milyen módszerrel történt nemesítésük. Ne feledjük: a termesztett növények tulajdonságai számítanak, illetve az azokat kialakító gének agronómiai és környezetvédelmi értékei! Dudits Dénes akadémikus a Barabás Zoltán Biotechnológiai Egyesület elnöke 9

.

1. Génművesség és a modern növényfajták születése 1. Génművesség és a modern növényfajták születése DUDITS DÉNES MTA Szegedi Biológiai Központ Növénybiológiai Intézet, Szeged A vadon élő növények termesztésbe vételét követően szelekcióval és keresztezéssel az ember folyamatosan és egyre céltudatosabban manipulálja a gazdasági növények génjeit. A növekvő élelmiszerigények kielégítésének kényszere jobb és jobb növényfajtákat vár el a nemesítőktől, akik módszereik tökéletesítésével tesznek eleget a sokféle elvárásnak. Tevékenységük eredményességét mindvégig szolgálták a genetika, a növényélettan, a biokémia vagy az agronómia legújabb tudományos felismerései. Ezekre épülnek az új technológiák a növények jobbítását szolgáló genetikai beavatkozásokhoz. Talán túlzás nélkül állítható, hogy rekombináns-dns módszerek kidolgozásával a géntechnológia rohamos fejlődésével a növénynemesítésben is új korszak kezdődött. A gének misztikus világát átformálja a lehetőség, hogy a géneket mint DNS-molekulákat izolálni lehet, szerkezetük megváltoztatható, és működőképes formában visszaépíthetők a növények genomjába. Ezzel nagyságrendekkel megnőtt a genetikai beavatkozások és a növénynemesítés precizitása, hatékonysága. Ezek a bővülő lehetőségek alapjaiban hatnak a világ mezőgazdaságára, és ha Magyarország követni akarja sikeres hagyományait, és fenn kívánja tartani agráriuma versenyképességét, elkerülhetetlenül hasznosítja majd a géntechnológiával nemesített (GM) növényfajtákat, illetve az általuk biztosított agrotechnikákat. Látva a politikusi és társadalmi bizonytalanságot, a zöld biotechnológia hasznosságát, értékeit illetően, a következőkben ismertetjük a kutatás és fejlesztés legfrissebb eredményeit. Célunk a tények, a világtendenciák tudományos szintű bemutatása, hogy a magyar gazdák megismerjék a géntechnológiával történő növénynemesítés alapjait és a születő új típusú növényfajtákat, amelyek fontos szereplői egy korszerű, környezetbarát növénytermesztésnek és a kibontakozó bioiparnak. 1.1. ÉLELMISZER- ÉS ENERGIABIZTONSÁG: A NÖVÉNYNEMESÍTÉS SZEREPVÁLLALÁSA Szűnni nem akaró hullámokban szembesülünk a szociális és a gazdasági válságok okozta megrázkódtatásokkal, amelyek közvetlenül érintik a mezőgazdaságot, a földművelő gazdákat is. Az éhínség szégyenletes ter- 11

Dudits Dénes het jelent az egész emberiség számára azzal, hogy 923 millió embernek nincs meg a legalapvetőbb tápláléka. Az éhezés mérsékléséért folytatott harc sikere nagyon sok tényezőtől függ, és régiónként változnak az elsődleges kiváltó okok. Így például Afrikában, a Szahara körzetében, az 1990-es évhez viszonyítva 2003-ig 43 millióval nőtt és elérte a 212 milliót az éhező emberek száma. Ezt a tragikus helyzetet az élelmiszernövények termesztését ellehetetlenítő természeti adottságok sokban előidézték. A említett időszakban, Indiában 20 millióval emelkedett az alultáplált népesség száma, amiért a várható élethossz növekedését is felelőssé teszik. Az élelmiszerek megtermelésének korlátai, azok magas árai, az áruszállítás költségei, a segélyek esetlegessége mellett a termesztett növények terméketlensége okolható az éhezés terjedéséért. A válság fokozódásában szerepet játszik, hogy világszerte növekszik a növény alapú bioenergia-termelés. A legújabb elemzések szerint a 2001 és 2007 között a bioüzemanyagok közül az etanol termelése megháromszorozódott, a biodízel előállítása megtízszereződött a világon (Tenenbaum, 2008). Az Amerikai Egyesült Államokban a 2008. évben a kukoricatermés 30%-át etanoltermelésre használták. A gabonafélék nem élelmiszerként történő hasznosításának ilyen jelentős mértékű kibővülése tehető részben felelőssé a gabonaárak emelkedéséért. Egyes elemzők szerint az árinfláció 30%-a származik a bioüzemanyag-üzlet felfutásából (Senauer, 2008). Ha 100 millió emberrel több éhezik a gabonaárak növekedése miatt, akkor 30 millió ember éhezését írhatjuk a bioenergia-ipar terhére. A drága olajárak mellett, ha továbbra is gyors ütemben bővül a bioüzemanyag-termelés, akkor a kukorica világkereskedelmi ára akár 40%-kal is nőhet 2020-ra. A búza árának 30%-os, az olajos magvak árának 76%-os emelkedését prognosztizálják a modellszámítások. Az élelmiszerbiztonság súlyos hiányosságát vizionálják az elemzések, amikor 2025-re 1,2 milliárd éhezőt becsülnek a jövő egyik súlyos katasztrófájaként (Runge és Senauer, 2007). A világ népeinek élelmiszer-ellátottságát veszélyeztető hiány mértékét az elkövetkező évtizedekben alapvetően a Föld lakóinak száma és a megtermelt élelmiszerek mennyisége fogja meghatározni (1.1. ábra). A Nemzetközi Politikai Tanács elemzése szerint 2050-ben 9,1 milliárd ember él majd bolygónkon, ami 40%-os népességnövekedést jelent. Ebből fakadóan a következő 40 évben megduplázódik az élelmiszerigény, miközben folyamatosan csökkennek a művelhető földterületek, valamint fogy a mezőgazdaság számára biztosítható víz mennyisége. A klímaváltozás hatásai további kockázatot jelentenek az élelmiszert előállító agrártevékenység számára. Az organikus gazdálkodás csekély termelékenysége nem igazán járul hozzá a növekvő élelmiszer-szükséglet kielégítéséhez. A kirajzolódó jövőkép a megoldandó problémák 12

1. Génművesség és a modern növényfajták születése VILÁGTENDENCIÁK AZ ÉLELMISZERIGÉNYBEN (előrejelzések) 2050-ben 9,1 milliárd népesség 40% növekedés Aszály pusztít a Kisalföldön 2007-ben 2008-ban 923 millióan éheznek Kétszeres emelkedés az élelmiszer-szükségletben Nő a napi jövedelem Emelkedik a hús- és tejtermékek, gyümölcs, zöldség, olaj fogyasztása Olafur Ragnar Grimsson: A talaj és a növényzet rohamosan csökken Földünkön, aminek végzetes következménye van az élelmiszer- és takarmánytermelésre, és felgyorsítja a klímaváltozást. 1.1. ábra: A termőföldek pusztulása és az elsivatagosodás mint az alattomos katasztrófa tünetei tömegét vetíti előre. Ezek megoldásában vitathatatlanul meghatározó szerepe lesz a kutatásnak és a fejlesztésnek. Új technológiákra lesz szükség a fajta-előállító nemesítésben, a talajművelési és növényápolási rendszerekben, valamint a farmgazdaságok menedzselésében. Ez a tanulmány a géntechnológiát is alkalmazó növénynemesítés koncepcióit és gyakorlatát kívánja bemutatni. A molekuláris biológiai ismeretek, a rekombináns-dns módszereket alkalmazó génsebészet beláthatatlan lehetőségeket nyitottak a gazdasági növények génállományának precíz optimalizálásában, ezzel nagy hozamú, az egészséget javító élelmiszereket termő növényfajták nemesítését alapozzák meg. Termesztett növényeink folyamatos jobbítása a nemesítés módszereivel kulcsszerepet játszik a növekvő élelmiszer- és bioipari nyersanyagszükséglet előállításában. A növénynemesítő, mint egy intuitív művész, a növény látható, mérhető tulajdonságait elemezve, érez rá a kedvező hatású gének jelenlétére és működésére. Ezeket hasznosítja, amikor keresztezéssel és szelekcióval új génkombinációkat állít elő, hogy folyamatosan javítsa a termőképességet és a termék minőségét. A hagyomá- 13

Dudits Dénes Napjaink elit rizsfajtái Zöld Szuper Hibridrizs JAVÍTANDÓ TULAJDONSÁGOK Rovarrezisztencia Betegség-ellenállóság Tápanyag-hasznosítás Szárazságtűrés Minőségi bélyegek TERMÉS MÓDSZEREK Hagyományos nemesítés: keresztezés, szelekció szelekció Marker alapú Marker szelekció alapú szelekció Génbeépítés Génbeépítés Nem rizs eredetű gének gének Rizsfajtagyűjtemények génjei nyos nemesítési folyamatban a gének mint virtuális elemek jelennek meg, és hatásaik csak közvetett módokon befolyásolhatók. A fajták javításában elért nemesítői sikerek így is elvitathatatlanok. A világélelmezés szempontjából igen jelentős növény, a rizs példája meggyőzően dokumentálja az eredményességet. A tradicionális nemesítés két stratégiai módszerének köszönhetően 1960 és 1990 között megduplázódott a rizs hozama a világ számos országában (http:/www. faostat.fao.org). Ebben a genetika javulásért felelős komponensek mint a féltörpeségi gének és a heterózishatás felhasználása kulcsszerephez jutottak. A Szuper Hibridrizs 15%-os terméstöbbletet hozott a korábbi hibridekhez képest. Tekintettel a várható népességnövekedésre és a gazdasági fejlődés felgyorsulására, szükség lesz a termőképességi plafon áttörésére, amit a kínai kutatók Zöld Szuper Hibridrizs fejlesztésével kívánnak megvalósítani (Zhang, 2007). Az 1.2. ábra bemutatja a kínai szuper hibridrizst, illetve a fejlesztés alatt lévő Zöld Szuper Hibridrizs fontos agronómiai tulajdonságait, valamint nemesítési módszereinek komplex rendszerét. Nem lehet kétségünk afelől, hogy a napjainkban születő fajtákat hasonló koncepciók alapján nemesítik szinte valamennyi jelentős gazdasági növényünk esetében. A növekvő élelmiszerigények, a felfokozott verseny ki- Rizs-fajtagyűjtemények génjei Gének a funkcionális genomika alapján Gének a funkcionális genomika alapján 1.2. ábra: Kína és a világ élelmezési gondjainak kezelésében kap szerepet a Zöld Szuper Hibridrizs, amelyet géntechnológiával és hagyományos keresztezéssel és szelekcióval nemesítenek (Zhang, 2007) 14

1. Génművesség és a modern növényfajták születése kényszeríti a molekuláris genomikai módszerek integrálását a keresztezés és szelekció műveleteivel (Moose és Mumm, 2008). Így a géntechnológiával nemesített (GM) növények nélkülözhetetlen elemei lesznek a modern növénytermesztési technológiáknak, akár a többlettermés, akár minőségében javított élelmiszerek előállításában vagy a gazdaságos bioenergiaalapanyagok megtermelésében. Látva a kutatás és fejlesztés e világméretű irányait és a hazai géntechnológiaellenesség szakmaiatlan túlzásait, nemigen találunk magyarázatot a logikátlan, érdekeinket sértő állapot kialakulására. Igen nagy a molekuláris biológusok, a biotechnológusok és a növénynemesítők felelőssége abban, hogy szakmai hitelességgel közvetítsék a legújabb fejleményeket, segítsék a törvényi, illetve döntéshozatali folyamatok korrekcióját, valamint a növénynemesítési módszerek megfelelését a világgazdasági kihívásoknak. 1.2. A GÉNAZONOSÍTÁSI ÉS -IZOLÁLÁSI STRATÉGIÁKRÓL ÁLTALÁBAN Korábbi tanulmányainkban (Balázs és Dudits, 1999; Dudits és Heszky, 2000; Dudits, 2006) már bemutattuk azokat a rekombináns-dns módszereket, amelyeket a növények esetében is használni lehet a génkutatás céljaira. Napjainkra jelentősen bővült a megközelítések, valamint a metodikák köre, így a génizolálás rutinlépéssé vált a növénybiológiai kutatásban és a növénynemesítési alapanyagok előállításában. A gének mint funkcionális egységek a dezoxiribonukleinsav (DNS) nukleotidbázisainak sorrendjében kódolt genetikai információ alapján irányítják hírvivő RNS (mrns) molekulák és fehérjék szintézisét. Így a növények teljes DNS-állományát megszekvenálva megállapítható a nukleotidbázisok sorrendje, és a szekvencia-adatbázisok informatikai analízisével behatárolhatók a fehérjéket kódoló génszakaszok, illetve a gének közötti ismétlődő DNS-molekularészek. A génsebészeti beavatkozások azóta váltak igazán tervezhetővé és precízen kivitelezhetővé, mióta kiterjedt DNS- és fehérjeszekvenciaadatbázisok állnak rendelkezésre; például megszekvenálták különböző növények teljes DNS-állományát, genomját. Elsőként a lúdfű (Arabidopsis thaliana) DNS-szekvenciáját közölték. A genetikai térképek alapján végzett DNS-szekvenálás és az azt követő informatikai adatfeldolgozás alapján a rizsgének száma 37 ezerre becsülhető. A legtöbb gazdaságilag jelentős növény esetében rohamosan bővül az ismert szekvenciák száma a hírvivő RNS- (mrns-) molekulákról szintetizált ún. kópia DNS-ek (cdns) megszekvenálását követően. A cdns-ek aktív géneket reprezentálnak, ezért a kifejezendő gének termékeként szolgálnak (Expressed Sequence Tags ESTs). A keresett gén szekvenciájának ismeretében a polimeráz láncreakció (PCR) felhasználásával még a kis példányszámú specifikus DNS- 15

Dudits Dénes Az izolálandó DNS-szakasz 5 3 3 5 Cél DNS 5 3 3 Primer 1 Primer 1 és 2, dezoxiribonukleozidtrifoszfátok és DNS Taq polimeráz hozzáadása 95 C-on: a DNS-szálak szétválasztása 60 C-ra hűtés: a primerek kötődéséhez Primer 2 5 60 C-on a Taq polimeráz megszintetizálja a komplementer DNS-szálakat a primerekről indulva 5 3 3 5 újabb szintézis ciklus 95 C-on a DNS-szálak szétvállása 60 C-ra hűtés a primerek kőtődéséhez 5 3 5 3 70 C-on a Taq polimeráz megszintetizálja a komplementer DNS-szálakat a primerekről indulva 1.3. ábra: Egy adott DNS-szakasz felszaporítása, izolálása polimeráz láncreakcióval, az ún. PCR-módszerrel (részletek a szövegben) (http://www.pcrstation.com/pcr-cloning-alternative) 16

1. Génművesség és a modern növényfajták születése szekvenciarészek is megsokszorozva megszintetizálhatók, így a gének izolálhatók. Az 1.3. ábra bemutatja ennek a PCR-alapú génfelszaporításnak a főbb lépéseit. A feldarabolt növényi DNS-t magas hőmérsékleten (95 o C) denaturálni kell, ami a kettős szál szétválásához vezet. Reakciókeverékhez két mesterségesen szintetizált DNS-fragmentet, ún. oligonukleotidot (primert) adunk, amelynek szekvenciája olyan bázisokból áll, hogy kapcsolódni tudjanak a cél-dns bázisaihoz. Ehhez 60 o C-ra kell hűteni a reakcióelegyet, ami dezoxiribonukleozid-trifoszfátokat (dntp) is tartalmaz, hogy a hőstabil Taq-DNS-polimeráz a templát-dns mindkét szára alapján a primerekről kiindulva új DNS-molekulákat szintetizálhasson. Ez a megsokszorozás (amplifikáció) első ciklusa, amelynek végén ismét 95 o C-ra történik a fölmelegítés a DNSszálak újbóli szétválasztása végett. Az újabb DNS-szintézis ciklus akkor zajlik le, amikor 60 o C-ra csökkentjük a hőmérsékletet. Minden egyes ciklusban a primerek által közrefogott szekvenciaszakasz megduplázódik, így felszaporíthatjuk a kívánt DNSmolekula mennyiségét, ami már elegendő a szekvenálási, klónozási, hibridizációs műveletekhez. A génazonosítási és -izolálási folyamat bemutatására célszerű a rizs féltörpeségi génjének példáját használni, amelyről korábban említettük, hogy a nagy termőképesség kialakításában fontos szerepe van. A gibberellin (GA) növényi növekedési hormon mennyisége közvetlenül befolyásolja a gabonanövények magasságát, és hiba a GA szintézisét végző enzimek génjeiben törpeséget okoz akár a búza-, akár a rizsnövényekben. A mutáns sd1 (GA20ox-2) gén izolálásának menetét Sasaki és mtsai (2002) cikke alapján az 1.4. ábra mutatja be. A gén forrása a bőtermő, féltörpe JR8 fajta, melynek morfológiai bélyegeit az 1.4/a ábrán láthatjuk. A GA-szintézis egyik kulcsenzime GA20-oxidáz (GA20ox-2), amely nem működik kielégítően a JR8 növényekben. Mivel a GA20ox-1 gént rizsből már korábban izoláltak, lehetőség nyílt PCR-primerek tervezésére és a mutáns gén megklónozására a JR8 fajtából, illetve más genotípusokból. A PCR-termékek szekvenciaanalízise rámutatott egy 383 bázispárnyi szakasz elvesztésére (deléciójára) a JR8 és egy másik fajta esetében, több vonalon pedig aminosavcserét okozott a mutáció. Így érthető, hogy a gén hibája miatt nem szintetizálódott működőképes enzim, és a GA hormonszint csökkent. A rizsben két gén felelős a GA20- oxidáz enzim szintéziséért. A különböző szövetekben, szervekben meghatározva e gének működési intenzitását (1.4/d ábra), látható, hogy a GA20ox-1 gén elsősorban a virágokban aktív, a GA20ox-2 (SD1) gén viszont a levelekben, hajtásokban jobban fejeződik ki. Ez magyarázhatja, hogy a GA20ox-2 mutációja nem zavarja a reproduktív folyamatokat, a bő termőképességet, de gátolt a rizsnövény növekedése. A mutáns segítségével azonosított GA20-oxidáz 17

Dudits Dénes a b RG220 GA20ox-2 R2414 G54 0.3cM RG220 sd1 G54 d Levéllemez Levélhüvely Szár Bugaszár Fiatal virágzat Hajtáscsúcs Gyökér GA20ox-2 GA20ox-1 Aktin c 557 321 291 (bp) exon 1 103 exon 2 1472 exon 3 383-bp deléció 1.4. ábra: A bőtermő féltörpe rizs mutációt hordoz a gibberellin-szintézis génjében SD1-GA20ox-2 (Sasaki és mtsai, 2002) a) vad típusú (bal oldal) és a féltörpe mutáns IR8 (jobb oldal) növények morfológiája; b) az sd1 mutánsgén azonos kromoszómarégióba térképeződik mint a GA20ox-2 gén, ugyanarról a génről van szó; c) a GA20ox-2 (SD1) gén struktúrája és az IR8 mutánsban a kiesett DNS-szakasz, ami a GA20-oxidáz enzim hiányához vezetett, exon= kódoló régió; d) különbségek az egyes szervek között a két gén aktivitásában: GA20ox1 gén a virágban aktív erősen, a GA20ox2 gén a zöld szövetekben működik fokozottabban gén ismeretében a törpevariánsok sorozata állítható elő ennek a génnek az elhallgattatásával a különböző fajtákban. Szükségtelenné válik a véletlenül fellépő ritka mutánsok keresése. Gyakran egy nagy hatású agronómiai gén azonosításához nincs semmilyen DNS-szekvencia támpont, hogy PCR-primereket lehessen tervezni. Ilyen esetekben sikerrel használhatók a tulajdonságaikban eltérő szülők keresztezéséből származó utódok mint géntérképezési populációk. A rekombináns növények tulajdonságai molekuláris markerek jelenlétéhez kapcsolhatók, amelyeknek ismert kromoszómapozícójuk van, és így behatárolható az adott tulajdonságért felelős gén helye. A molekuláris, DNS-szekvencia alapú jellemzők közül gyakran alkalmazzák az ún. SSR (simple sequence repeat), illetve a CAPS (cleaved amplified polymorphic sequence) markereket (http://www.gramene.org). A termést meghatározó tulajdonságok általában mennyiségi paraméterekkel jellemezhetők, és kialakulásukban több gén vagy akár egy egész kromoszómarégió is szerepet játszik. Ezek a komplex jegyeket meghatározó ún. QTL-ek (quantative trait loci) elhelyezhetők az adott növény genetikai térképén, és azonosíthatók a hatá- 18

1. Génművesség és a modern növényfajták születése sukért felelős gének. Maradva a rizs termőképességét kialakító QTL-eknél és azok génjeinél, abból célszerű kiindulni, hogy a termés végül is több tulajdonság eredőjeként formálódik. Így a növénymagasság, a bokrosodás, a buga mérete és morfológiája, a szemszám, a szemméret, illetve a súly mind olyan paraméter, amelyek sajátos genetikai irányítással a környezeti feltételek által befolyásolva alakítják a betakarítható termés mennyiségét. A Rizs Genom Projekt révén mind több gén válik ismertté mint a fenti bélyegek szabályozója (Sakomoto és Matsuoka, 2008). Könnyen belátható, hogy a rizsszem méretei közül a szélesség közvetlenül befolyásolja az ezerszemsúlyt. A rizs 2 kromoszómájának rövid karján azonosítottak egy nagy hatású QTL-t, a GW2 régiót mint a szemszélességet meghatározó faktort. Song és mstai (2007) géntérkepezésen alapuló módszerrel megklónozták a felelős gént. A követett génizolálási stratégia általánosan használható, így röviden ismertetjük (1.5. ábra). Két szemméretben jelentősen különböző fajta keresztezésével előállították a térképezési populáció F2 generációját. Mint az 1.5/a ábrán látható, az indica FAZ1 fajta kis szemeket produkál (17,9 g ezerszemsúly), a japonica WY3 fajta szemtermése pedig igen nagy méretű (41,9 g ezerszemsúly). Az F1 növények öntermékenyítéséből származó F2 növények visszakeresztezve a FAZ1 növényekkel eredményezték a BC 1 F 1 generáció szemeit. Az ezekből fölnevelt növények közül kiválasztották azokat, amelyek heterozigóták a GW2 régióban, minden más régióban viszont homozigóták a FAZ1 szülőre nézve. A finomtérképezéshez többszöri visszakeresztezéssel és markeren alapuló szelekcióval állítják elő a BC 4 F 2 generációt, amely már megközelítően izogénes rekombináns vonalakból áll (NIL-GW2), a második kromoszómán igen rövid WY3 kromoszómaszegmenttel a FAZ1 genetikai háttérben. Az 1.5/b ábra azt mutatja, hogy a GW2 lokusz 8.2 kb régiója a WO24 és WOO4 markerek közötti szakaszban található. A széles szemek és a GW2 régió közötti kapcsolatot szemlélteti az 1.5/c ábrarész. A rekombináns vonalak (R1, R2, R3), melyek hordozzák a GW2 gén WY3 változatát, azok szignifikánsabban szélesebbek, ezek közé tartozik C1WY3 homozigóta szülő. A GW2 régiót közrefogó markerek, PCR-primerek segítségével meg lehetett klónozni és szekvenálni a GW2 gént, mind a WY3, mind a FAZ1 fajta DNS-ének felhasználásával. A szekvenciaadatok alapján kibontakozik a GW2 gén struktúrája (1.6/a ábra), amely egy tipikus eukarióta gén felépítésének felel meg (1.6/b ábra). Látható a kódoló régió exon-, intronszerekezete, amelyet a nem átíródó (UTR) szakaszok határolnak. A GW2 gén a FAZ1 fajtában megtalálható allélja egy 47 KDa méretű fehérjét, egy RING típusú E3 ubiquitinligáz enzimet kódol. Az ilyen típusú enzimek a fehérjék irányított lebon- 19

Dudits Dénes a b W228 RM145 W002 W020 W004 W010 W005 W2374 17 8 2 3 10 1 8 23 W239 n= 6,013 W002 W020 W024 W026 W004 XJ-3 W010 c 2 1 1 1 2 8 26kb56kb,, GW2 82kb, AP005004 R1 R2 R3 C1 R4 R5 C2 FAZ1 Szemszélesség (mm) 0 0, 5 1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 3, 0 3, 5 1.5. ábra: A nagy szemű rizs kialakításáért felelős GW2 gén izolálása nagy felbontású genetikai térkép segítségével (Song és mtsai 2007) a) a két szülői fajta rizsszemeinek mérete; b) A GW2-régiót közrefogó molekuláris markerek (WO24, WO04) a második kromoszómán és a rizs genomikus DNS-darab bakteriofág B1 vektorban (AP005004); c) stabil rekombináns vonalak a FAZ1 szülőkkel történt visszakeresztezések után, amelyeknek megvan a 8,2 kb GW2 DNS-régiójuk, széles szeműek 20