2013. február 4., hétfő

Növényi lombikbébik és ami mögöttük van

Manapság vérre menő küzdelem folyik a génmódosítás ellenzői és támogatói között, mely szakmai szemmel nézve teljesen indokolt, jóllehet a vélemények hevessége leginkább a hozzászólók rálátásának hiánya miatt haladja meg az ilyen jellegű kérdések megvitatása során elvárható szintet. Nem volt ez máshogy a 2012-es Kutatók Éjszakája rendezvénysorozaton sem, ahol a részvevők kétségbeesetten adtak hangot annak a nézetnek, hogy a génmódosítás milyen szörnyű fenyegetést jelenthet az emberiség, vagy az élővilág számára. Mivel az előadás során hallottam először a növényi szövettenyészetek mesterséges körülmények közötti létrehozásáról, így sem akkor, sem most nem kívánok vízválasztó szerepet betölteni a témában, inkább látókör szélesítő szándékkal a növényi lombikbébikről és felhasználásukról írok. A bonyolultabb fogalmak definícióit a bejegyzés végén szereplő kisokosban megleshetitek.

Kép innen
Míg a növénynemesítés megkezdése a történelem ködébe vész, a molekuláris genetika megszületéséről pontos, jól dokumentált adatokkal rendelkezünk. A molekuláris korszak 1944-ben kezdődött azzal, hogy Avery, McLeod és McCarthy bizonyították, hogy az átöröklésért egy ismert anyag a felelős, ez pedig a dezoxiribonukleinsav  (DNS). Ezt követően 1953-ban Watson és Crick korszakalkotó felfedezése következett azzal, hogy leírták a DNS térszerkezetét: a bűvös kettős spirált (double-helix). A kutatások során az is tisztázódott, hogy az életműködés tényleges hordozói a fehérjék, amelyek felépítése sokkal változatosabb és bonyolultabb, mint a DNS-é. 

A DNS-kutatások ezt követően Nobel-esővel jutalmazták a tudományterület kitartó úttörőit. A következő fontos esemény az 1960-as években zajlott le, amikor is az egész élővilágban egységes rejtjelkulcs, a genetikai kód segítségével megtörtént a négybetűs DNS „nyelv” lefordítása a húszbetűs fehérje „nyelvre”. Ezért kapott Nobel-díjat 1968-ban Har Gobind Khorana és Marshall Nirenberg. Közben meghatározták a ribonukleinsav (RNS) szerepét is, aminek szintén nagy jelentősége van a tulajdonságok öröklődésében.


Kép innen
1965-ben Robert Holley szintén Nobel-díjas felfedezést tett, amikor megfejtette a DNS és RNS nukleotid sorrendjét. A hetvenes évekig a kromoszómán belül egyetlen génnek az elkülönítése még megoldhatatlan problémának tűnt, azonban 1978-ban Arber Smith és Nathans kutatása áthidalta ez a problémát a restrikciós endonukleázoknak, azaz a baktériumokból előállítható enzimeknek a felfedezésével, amelyekkel meghatározott, specifikus pontokon kisebb szakaszokra lehet vágni az óriás DNS molekulákat.  

Ezek a korszakalkotó felfedezések vezetek a génsebészetnek nevezett technika kidolgozásához, ugyanis megoldották a kémcsőben felszabdalt DNS szekvenciák visszajuttatását a sejtbe, majd egy évtizeddel később, 1982-ben előállították az első transzgénikus emlősállatokat és növényeket. A transzgénikus kifejezés azt jelenti, hogy ezeknek az állatoknak és növényeknek a genomjába idegen eredetű DNS-t vittek be a génsebészeti technika segítségével.

A teljesség kedvéért további két eseményt is szükséges megemlíteni a DNS szekvenáláson kívül. Az egyik a DNS mesterséges szintézise és a polimeráz láncreakció, vagyis a PCR módszer. Ez utóbbi szintén Nobel-díjas felfedezés 1985-ből, ami Kary Mullis nevéhez fűződik.

Ezek után megkezdődött a géntechnológiai módszerek alkalmazása a növények változtatására és felhasználására a növénynemesítésben, az 1980-as évek közepén ugyanis a nemesítés gyorsítására kidolgozták a génmarkerezés (Marker Assisted Selection = MAS) módszerét. A DNS-sel, mint az egyes tulajdonságok jelzőjével nyomon lehet követni az egyes tulajdonságok jelenlétét, vagy alakulását már a hibridizáció után, a korai generációkban fenotípusos, vagy biokémiai alapon. Ezek a felfedezések megteremtették az alapját a molekuláris genetika felhasználásának a növény- és állatnemesítésben.

Az utóbbi évtizedekben a molekuláris biológia, a molekuláris genetika rohamos fejlődésével lehetőség nyílt a termelésbe bevont élő szervezetek genetikai anyagának tudatos megváltoztatására, amellyel  lehetővé tehető a termelékenység fokozása, az ellenálló-képesség növelése, a természetes közegben nehezen szaporítható növények szaporítása, vagy éppen számos veszélyeztetett faj megmentése. 
Kép: static.yousaytoo.com
Folyamatosan megfigyelhető tendencia, hogy az alapkutatás jellegű molekuláris genetika eredményei szokatlanul gyorsan mennek át a gyakorlatba, épp ezért a biotechnológia napjaink óriási gazdasági jelentőségű, dinamikusan fejlődő tudományterületévé vált.

A szövettenyésztés nem újkeletű technika, a XX. század 30-as évei óta ismeretes, de az utóbbi 30-40 évben a kutatások felgyorsultak ezen a szakterületen. A növényi szövettenyésztés az anyanövényekről izolált növényi sejtek, szövetek vagy szervek növekedésének és fejlődésének a fenntartását jelenti laboratóriumi körülmények között. Az eljárás számos növénytudományi területen használatos eljárást és módszert ötvöz. Ezt az érdekes technikát manapság sokféle helyen hasznosítják nagy hatékonysággal, hiszen a növényi in vitro szövettenyészeteket (növényi „lombikbébiket”) széleskörűen alkalmazzák a kutató biológusok és a növénytermesztők egyaránt.

Kép innen
A szövettenyészetek előállítása során a növényi sejt totipotenciáját, tehát azon tulajdonságát használják ki, hogy elvileg bármely élő növényi sejtből, megfelelő körülmények között bármilyen sejttípus kialakulhat, így megfelelő tenyésztési körülmények között a sejtek képesek visszanyerni vagy megőrizni osztódóképességüket, majd - elméletileg - bármilyen sejttípussá átalakulni, egész növény regenerálását lehetővé téve. (Például, ha levélszegmenseket megfelelő hormontartalmú táptalajra helyezünk, számos gyökér, illetve hajtás fog kialakulni rajta. Ha a növényi sejt falát eltávolítjuk, ún. protoplasztot nyerünk, amelyből növénykék fognak kialakulni, így egyetlen levélből több millió protoplasztot, majd növényt nyerünk.)

Kép innen
A növényi szövettenyésztés alapja, hogy a növény minden sejtje, szövete, vagy szerve in vitro tenyészthető, növényi hormont tartalmazó táptalajon steril, klimatizált körülmények között. A növényi szövettenyészetek előállítása során alkalmazott módszerek alapvetően nem sokban különböznek a múlt század ötvenes-hatvanas éveiben kidolgozott technikáktól. Gyakorlatilag az összes in vitro módszer esetünkben három alapvető tényezőre vezethető vissza:

1. A növényből izolálni kell a növényi részt, ezáltal az egyes szervek, szövetek, sejtek kölcsönhatásától függetlenítjük.

2. A tenyészetet meghatározott körülmények között tartjuk fenn: a tápközeg kémiai összetevői és a tenyésztés fizikai körülményei hatásosan befolyásolják a növényi rész fejlődését, a genotípusos és fenotípusos jellegek kifejeződését.

3. A sterilitásra mindig fokozottan ügyelni kell, mivel a legtöbb tápközeg elősegíti a fertőzőbaktériumok, gombák, algák elszaporodását. Ezek az élőlények károsan hatnak a tenyésztés során: túlnőhetik a tenyésztett növénydarabkát, káros metabolitokat termelhetnek.
Kép innen
A növényi sejt- és szövettenyésztés lényegében a természetes környezetétől izolált növényi részecskék (embriók, szervek, szövetek, sejtek, ivarsejtek) in vitro, potenciálisan korlátlan ideig tartó anyagcseréje és fejlődése, amely tetszés szerint reprodukálható, kontrollálható, sőt esetleg programozható a fejlődést kiváltó fizikai és kémiai faktorok segítségével.

Mindez lefordítva, a gyakorlati megvalósítás során annyit tesz, hogy  technikával,  és az elméleti tudásanyag birtokában olyan feltételeket biztosíthatunk, amely lehetővé teszi a kivágott és elszeparált növényi rész növekedését, differenciálódását esetleg meghatározott irányú programozott továbbfejlődését.

Kép innen
A gyakorlatban a teljes növényből izolált növényi részek  in vitro tenyésztése mesterséges táptalajon (szilárd, folyékony), steril és klimatizált feltételek között történik. A tápközeg összetétele nagyon különböző lehet, hiszen változó mennyiségben tartalmaznak makro- és mikroelemeket, vitaminokat, szén- és energiaforrás vegyületeket (legtöbbször szacharózt), továbbá különböző növekedést szabályozó  anyagokat (pl.: növényi hormonok) és komplex kiegészítőket (pl.: kókusztej). A tápközeg előállítására számos receptet ismer a szakirodalom, a tenyésztés céljának megfelelően. A tápközeget gyakran a mikrobiológiában általánosan használt, egyáltalán nem olcsó agar-agarral szilárdítják.
Kép: www.tbgri.in
Mivel a tenyésztésnek mindenképpen kontrollált körülmények között szükségez lezajlania, célszerű megtalálni az optimális  hőmérséklet (15-32 °C),  mivel ez  jelentősen befolyásolja a szaporodási sebességet. A tartomány azért ilyen széles, mert a növények a természetben is nagyon széles hőmérséklet tartományban élnek, a sarkkörtől a trópusokig.

Kiemelten fontos tényező a tenyészetek tárolása, nevelése során a fény. A fény színe/hullámhossza befolyásolja a növény fejlődését: a kék fény a hajtás, a vörös fény a gyökérzet fejlődését segíti elő.  A megvilágításhoz tartozik még a  világos - sötét periódusok hossza is, melynek beállítása során tipikus a 16 óra fény, 8 óra sötétség ciklus. A természetben ez a mérsékelt égövi növények életfeltételeire jellemző. A trópusokon a 12 - 12 órás arány állandósult, a sarkvidéki növényeknél nyáron akár teljes 24 órás megvilágítás is előfordulhat.

A sok információ után jogosan merülhet fel a kérdés, hogy vajon a gyakorlatban mennyire hasznosítható ez a technológia, illetve az ilyen jellegű alapkutatások vajon miféle eredménnyel kecsegtethetnek?

Vírusmentes növények 
A növényi osztódó szövetek (merisztémák) soha nem tartalmaznak patogén vírusokat, ezért, ha ilyen szöveteket lombikban nevelünk, vírusmentes növényeket állíthatunk elő. Ez azért fontos, mert számos termesztett növénynél komoly gondot okoznak a vírusfertőzések.

Nehezen szaporítható növények

Mivel viszonylag alacsony költségű technológia, a mikroszaporítás módszerével nagy tömegben állíthatunk elő olyan növényeket, amelyek hagyományos úton nehezen szaporíthatók (például: orchideák).

Veszélyeztetett fajok megmentése
Az utóbbi években ezt az eljárást egyre többen használják védett (veszélyeztetett) fajok konzerválására. A vadon élő növény minimális szövetrészlete elegendő az eljáráshoz, tehát nem szükséges a teljes növényt elpusztítani, felhasználni. Megfelelő táptalajokon ezekből a szövetdarabokból számos növényt előállítása lehetséges. Ebben a vonatkozásban génmegőrzésről beszélhetünk, amit nemcsak a védett növények, hanem fontos kultúrnövény fajták esetében is alkalmaznak.

Alapkutatás kontrollálható körülmények között

A technikát gyakran alkalmazzák az úgynevezett alapkutatásban: biokémiai, sejtbiológiai, genetikai kísérletekben. Népszerűségét az indokolja, hogy jól kontrollálható rendszer. A természettudományos kísérletekben, ha valamilyen külső tényező hatását vizsgáljuk, csak a vizsgált paramétert változtatjuk, az összes többi körülmény állandó kell legyen. Kontrollált táptalaj-, fény-, hőmérséklet stb. viszonyok között a növényi in vitro tenyészetek növekedése, fejlődése jól ellenőrizhető, tehát természettudományos kísérletek szempontjából ideálisak.

Genetikai variabilitás - ellenálló-képesség növelése
A táptalaj összetételének megfelelő megváltoztatásával új, előnyös tulajdonságokkal (például kórokozókkal szembeni rezisztenciával) lehet a haszonnövényeket felvértezni.

Persze a tetemes gazdasági haszon és biotechnológiai fejlesztés mellett nem elhanyagolható az a tény sem, hogy a genetikai módosulások hatásaira vonatkozóan nem rendelkezünk még kellő hatástanulmánnyal, háttérismerettel, mivel ezeket csak megfelelő idő távlatából, és az alkalmazási terület megnövelésével vizsgálhatjuk tényszerűen, de ez legyen egy következő bejegyzés táptalaja...

Kisokos:

In vitro: Az in vitro (latin, „az üvegben”) kifejezés arra a kísérleti technikára utal, amikor a kísérleti folyamat nem az élő szervezetben, hanem azon kívül, ellenőrzött körülmények közt zajlik le, például kémcsőben vagy Petri-csészében. A sejtbiológia sok kísérlete zajlik az élő szervezeten, illetve a sejteken kívül. Mivel az ilyen kísérlet bizonyos körülmények közt esetleg más eredményhez vezethet, mintha a folyamat élő szervezetben zajlana, az előbbi megjelölésére használják az in vitro kifejezést

Genom: A genom egy szervezet teljes örökítő információját jelenti, amely a DNS-ben van kódolva (egyes vírusokban RNS-ben), beleértve a géneket és a nem kódoló szekvenciákat is. A kifejezést először 1920-ban Hans Winkler, a hamburgi egyetem botanikus professzora használta.

Fenotípus: Egy egyed fenotípusán érthetjük teljes fizikai megjelenését, vagy egy specifikus jelleg megjelenését, úgy mint a szemszín, amely variálódik az egyedek között.  A fenotípus a legtöbb esetben számos géntől és a környezeti hatásoktól együttesen függ.

Genotípus: A genotípus egy egyed genetikai felépítése (lényegében maga genom), általában DNS formájában, ami az egyed fenotípusát kódolja. A geno- és fenotípus nem állnak mindig közvetlen kapcsolatban. Néhány gén csak bizonyos körülmények között képes létrehozni egy adott fenotípust. A másik oldalról nézve pedig egy-egy fenotípus számos gén funkciójának terméke.
A feno- és genotípus közötti összefüggést leggyakrabban a következő egyenlettel szemléltetik:
genotípus + környezet + véletlen-variációk → fenotípus

DNS-szekvenálás:A DNS-szekvenálás olyan biokémiai módszer, amit a DNS oligonukleotid nukleotid bázisainak, tehát az adeninnek, guaninnak, citozinnek és a timinnek a sorrend-meghatározására használnak. A DNS szekvenciája határozza meg a sejtmagban, a plazmidokban, a mitokondriumban vagy a kloroplasztiszokban azt az örökletes genetikai információt, ami minden élő szervezet működésének alapprogramját adja.

Ha tetszett a bejegyzés és érdekelnek a témába vágó további aktualitások, úgy kövess minket a Facebookon vagy a Twitteren!

Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése

Blog Widget by LinkWithin