1.4. A genom megváltoztatása – transzgénikus növényeknövények
1.4.2. A transzgénikus növények előállításának céljai, gyakorlati alkalmazásokgyakorlati alkalmazások
1.4.2.1. A növény védelme
A transzgénikus növények létrehozásának legkorábban megfogalmazott célkitűzései között szerepelt olyan növények előállítása, melyek valamilyen rezisztenciával bírnak rovar, vagy víruskártevőik ellen, gyomirtószerekre rezisztensek, vagy stressztoleránsak, illetve jobban megfelelnek a termesztési, tárolási feltételeknek. A transzgénikus növények első generációja többnyire ilyen rezisztencia-sajátságokat hordozott, melyek kialakításáért általában egyetlen gén a felelős.
A talajlakóBacillus thuringiensis baktérium toxinja a múlt század eleje óta ismert rovarölő hatásáról, magát a baktériumot közvetlenül is használják biológiai rovarirtásra több mint 50 éve. A baktérium δ-endotoxinokat (szűk gazdaspecifitású toxikus kristályfehérjéket) termel, melyek a rovarok lúgos emésztőrendszerében aktiválódnak, majd az epitheliális sejtek receptoraihoz kötődve beépülnek a membránba pórusokat létrehozva, mely a sejtek és a rovar pusztulását okozza. Számos gazdasági szempontból fontos növény (pl. kukorica, szója, gyapot) rezisztens változatát alakítottak ki δ-endotoxinok génjének bevitelével, melynek szabályozott – pl. rovarrágásra indukálódó - termelődése lehetővé teszi a növény vegyszermentes védelmét specifikus kártevői ellen, ugyanakkor más élőlényeket nem károsít. A rovarkártevők ellen rezisztens növények kialakíthatók növényi eredetű gének bejuttatásának eredményeként is. Az általuk kódolt inhibítor fehérjék lehetnek specifikus proteináz gátlók, lektinek, α-amiláz inhibítorok vagy kellemetlen ízű, szagú vegyületek szintéziséért felelős fehérjék, melyek elpusztítják, vagy elrettentik a predátorokat.
A termesztett növények körében nagyon gyakori herbicidrezisztencia kialakítása GM technológiával. A herbicidrezisztencia kialakítása többféle módon lehetséges. Az egyik leggyakrabban használt herbicid, a glyphosate ellen, mely az aromás aminosavak bioszintézisének egyik kulcsenzimét, az enolpiruvil-sikimisav-foszfát-szintázt (EPSPS) gátolja, kialakítottak olyan rezisztens növényeket, melyekbe rezisztens baktériumból (S. typhimurinum) származó EPSPS gént építettek be. Megnövelhető a tolerancia a saját gén fokozott expressziójával is, mely konstitutív promoter beépítésével lehetséges.
Víruskártevőkre rezisztens növényeket is kalakítottak már a múlt század végén, olyan módon, hogy a vírus köpenyfehérjegénjét építették be a növény genomjába, melynek expressziója géncsendesítés révén gátolta a fertőzött szövetben a vírus szaporodását, sőt szisztemikus jelként a távolabbi szövetekbe szállítódva is gátolta a vírus terjedését.
A baktériumokkal szembeni ellenállóképesség növelése is számos módon elősegíthető; törekvések irányulnak a patogén felismerés és az immunválasz fokozására, vagy olyan anyagok termeltetésére, melyek elnyomják a baktériumokban a populáció méretétől függő jelközvetítést (quorum sensing), ezáltal azok kis baktériumszám mellett elindítják a növények védekező mechanizmusait, így a növény sikerrel veszi fel a küzdelmet a patogénnel.
Az acil-homoszerin lakton termelő transzgénikus dohány volt az első növény, mely kis baktériumszám mellett elindította aChromobacterium violaceumbana violacein termelést. Ennek hatására indukálódott a növény védelmi mechanizmusa, rezisztenciát eredményezve a baktérium ellen.
A környezeti tényezőkre rezisztens növények előállítása gyakran több gén együttes bevitelének és összehangolt expressziójának eredménye, esetenként azonban egyetlen transzporter (pl. a Na+– H+antiporter) génexpressziójának megváltoztatása is eredményezheti.
1.4.2.2. Táplálkozásélettani, gyógyászati vagy ipari szempontból fontos anyagok termeltetése
A transzgénikus növények előállításának a genom, transzkriptom, proteom és metabolom ismeretére alapuló technikái nagyon sokféle célkitűzés megvalósítását alapozzák meg. Lehetővé vált többek között a fogyasztó számára
• megfelelő táplálékösszetétel biztosítása (biofortifikáció) vitaminok, ásványi anyagok, lipidek, stresszvédő másodlagos anyagcseretermékek termeléséért felelős gének bevitelével, vagy a meglévő gének működésének befolyásolásával,
• aktív immunitás, védettség kialakítása ehető vakcinák, vagy egyéb, gyógyászati és dignosztikus fehérjék termeltetésével – („plantibodies”), továbbá
• környezetkímélő, természetes úton lebomló műanyagok alapanyagainak
• vagy üzemanyagként hasznosítható produktumoknak az előállítása mind szabadföldi körülmények között nevelt transzgénikus növényekkel, mind pedig labortóriumi/zárt üzemi körülmények között nevelt növényekkel, vagy szövetkultúrákkal.
A fejlődő országokban gyakran fennálló – az egyoldalú és nem megfelelő mennyiségű táplálékbevitel következtében kialakuló - a WHO adatai szerint évente mintegy 500 000 gyermek vakságát okozó – vitaminhiány leküzdésére Potricus és munkatársai az A vitamin előanyagát, a karotint termelő „aranyszemű rizst” állítottak elő. Bár a β-karotin szintézis levelekben működik rizsben, a magban megvalósuló szintézishez a bioszintézis út enzimei közül a fitoin-szintáz és a fitoin-deszaturáz enzimeket egy endospermiumban expresszálódó gén (glutelin) szabályozó régiójával együtt kellett bejuttatni. A licencet ingyen a fejlődő országok rendelkezésére bocsátották. Mára jelentős azoknak a zöldség, gyümölcs és gabonaféléknek a száma, melyekben transzgenikus úton sikerült humán egészségügyi szempontból fontos rákellenes, antioxidáns, vérnyomáscsökkentő, szív- és érrendszeri betegségek ellen hatásos karotiniodokat, antocianinokat, flavonoidokat, és egyéb speciális anyagokat termeltetni.
Ugyancsak elsősorban a fejlődő országok egészségvédelme szempontjából jelentős olyan transzgénikus növények előállítása, melyek ehető vakcinákat termelnek. Ilyen pl. a Hepatitis B vírus felszíni antigént ehető vakcinaként termelő banán, de számos más vírus és baktérum elleni ehető vakcinákat termelő növényt is előállítottak. Az eukarióta fehérjék transzgénikus növényekben való termeltetése azért előnyös a prokarióta rendszerekkel szemben, mert a szintézisüket követő utólagos módosulások lehetőségei jobban hasonlítanak az állati fehérjék módosulásihoz, mint a prokariótáké.
A lipidösszetétel megváltoztatására irányuló törekvések a tápláléknövények esetében az egészségügyi szempontból fontos telítetlen zsírsavak arányának növelését célozzák, ugyanakkor az ipari célokra történő módosítások (pl. a hidroxilálás, epoxidálás, láchossz-növelés) műanyagok, festékek, gyanták, kenőanyagok előállításának lehetőségét biztosítják.
Lebomló műanyagok alapanyagai előállíthatók növényi polimerekből (keményítő, cellulóz, lipidek, vagy fehérjék), de bakteriális polimerek termeltetése is lehetséges prokarióta eredetű gének bevitelével (pl. polihidroxibutirát).
Bioüzemanyagok (bioetanol, biodízel) hatékonyabb előállítása is lehetséges számos takarmány- és haszonnövényből (kukorica, cukornád szója, Miscanthus, fás növények stb.) melyek genetiai módosítása hatékonyabbá teszi a termelést.
1.4.2.3. Környezetvédelem, fitoremediáció transzgénikus növényekkel
A növények igen jelentős környezetvédelmi felhasználási lehetőségét változatos anyagcseréjüknek az a különlegessége biztosítja, hogy a toxikus anyagokat – nehézfémeket, xenobiotikumokat, egyéb szerves és szervetlen anyagokat – képesek felvenni környezetükből, majd méregteleníteni, átalakítani vagy változatlan formában, elkülönítve tárolni olyan módon, hogy az anyagcseréjüket ne zavarja. Célzott transzgénikus módosításokkal ezek a sajátságok tovább javíthatók, specializálhatók. Akörnyezetszennyező anyagok növények segítségével történő eltávolítását, ártalmatlanítását fitoremediációnak nevezzük.
A növények legfontosabb fitoremediációs stratégiái a következők:
• fitovolatilizáció: a szennyező anyag felvétele a talajból, majd kevésbé toxikus illékony formába alakítása;
• fitoextrakció: a szennyezés felvétele a környezetből és elkülönítése a sejtben,
• fitostabilizáció: olyan anyagok kibocsátása a talajba, melyek felvehetetlenné teszik a szennyezést
• fitodegradáció: olyan anyagok kibocsátása a talajba, melyek – esetleg más szervezetek, pl. mikroorganizmusok segítségével - felgyorsítják a szennyeződések lebontását.
Transzgénikus növények előállításával ezek a lehetőségek célzottan, többféle módon megvalósíthatók. Nehézfémek (Cd, Cu) elleni tolerancia alakítható ki pl. a fitokelatin-szintáz gének bevitelével, vagy expressziójának fokozásával.
A növényekben ugyanis a nehézfémek, vagy szerves toxinok is – a fitokelatin-szintáz által előállított glutationhoz (vagy egyéb fitokeletinokhoz, szerves savakhoz, metallotioneinekhez) kötődve szállítódnak a vakuólumba, ahol elkülönülten tárolódnak. A növények ilyenkor élelmiszerként nem használhatók, de a nehézfémek akár vissza is nyerhetők belőlük – ez az eljárás a „fitomining”.
Szerves higanyszennyezést méregtelenítő transzgénikus növényeket olyan bakteriális gének bevitelével hoztak létre, melyek a szerves higanyt ionos, majd a még kevésbé toxikus illékony formába alakítják. A MerB (szerveshigany-liáz) bakteriális enzim bontja a CH3-Hg kötést és ionos Hg(II) keletkezik, majd a MerA (ionoshigany-reduktáz) enzim elemi, illékony formába alakítja a higanyionokat.Arabidopsisba, repcébe, dohányba, nyárba stb.
vittek be ilyen géneket, melyekkel megakadályozható a szerves Hg-vegyületek táplálékláncba kerülése és felhalmozódása.
A növények környezetében gyakran toxikus mennyiségben előforduló Al felvehetetlen Al(OH)3 csapadékká alakítása a gyökérkörnyezet pH-jának megváltoztatásával, vagy kelátorok kibocsátásával ugyancsak megoldható transzgénikus növényekkel.
A foszformobilizálás elősegítése és környezetszennyezőként való megjelenésének elkerülésére is lehetséges transzgénikus növényekkel. A foszfor főleg fitinsav (inozitol-hexafoszfát) formában található a növényekben, melyet az állatok emésztőrendszere nem bont le. A trágya felhasználásával nő a talaj foszfátterhelése, ezáltal a természetes vizekbe bekerülés és az eutrofizáció. Magasabb fitáz aktivitású transzgénikus növényekkel növelhető a fogyasztókban a foszfor felhasználása, ami egyben azok vas- és cinkfelvételét is javítja.
1.5. Irodalomjegyzék
Journal of Heredity, 100, 582–590, 2009.
Going, Going, Not Quite Gone:
Nucleomorphs as a Case Study in Nuclear Genome Reduction.
Annals of Botany, 107, 467–590, 2011.
Nuclear DNA amounts in
angiosperms: targets, trends and tomorrow.
Bennett , M. D. and Leitch, I. J.
Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B 274, 227–274, 1976.
Variation in genomic form in plants and its ecological implications.
impact on the evolution of plant genes and genomes.
Trends in Genet., 17, 475-478, 2001.
From controlling elements to transposons: Barbara McClintock and the Nobel Prize.
Comfort, N. C.
Current Opin. Biotechnol., 18, 134–141, 2007.
Viral vectors for the expression of proteins in plants.
Current Opin. Biotechnol., 21, 204–210, 2010.
Biotechnological concepts for improving plant innate immunity.
Gust, A. A., Brunner, F., Nürnberger, T.
Annu. Rev. Plant Biol., 64, 89–110, 2013.
Tapping the Promise of Genomics in Species with Complex, Nonmodel Genomes.
Hirsch, C. N. and Buell, C.
R.
Trends in Plant Science.17, 737-744, 2012.
Plastid non-coding RNAs: emerging
Current Opin. Plant Biol., 7, 1–5, 2004.
Using rice to understand the origin and amplification of miniature Jiang, N., Feschotte, C.,
Zhang, X., Wessler, S. R.
inverted repeat transposable elements (MITEs).
Trends in Genetics, 23(10) 521-529, 2007.
Helitrons on a roll: eukaryotic rolling-circle transposons.
Kapitonov, V. V. and Jurka, J.
. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 8714–8719, 2001.
Rollingcircle transposons in eukaryotes.
Kapitonov, V. V., and Jurka, J.
Annals of Botany, 95, 177–190, 2005.
The Large Genome Constraint
Trends in Plant Sci., 12, 189-196, 2007.
Shopping for plastids.
Trends in Genet., 17, 193-198, 2001.
How Bacillus thuringiensis has evolved specific toxins to colonize the insect world.
Maagd, R. A., Bravo, A., Crickmore, N.
Theor. Appl. Genet., 117, 459–470, 2008.
The mitochondrial genome of a
Ann. Bot., 82 (Suppl. A), 3–15, 1998.
Nuclear DNA amounts in
gymnosperms.
Murray, B. G.
Mol. Genet. Genom., 266, 740-746, 2002.
Structural features of wheat plastom
Current Opin. Biotechnol., 21, 186-196, 2010.
Biotechnology of water and salinity stress tolerance.
Pardo, J. M.
Trends in Genet., 16, 151-152, 2000.
Trends in Plant Sci., 3, 195-199, 1998.
Genomes, genes and junk: the large-scale organization of plant
Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A., 36, 643–654, 1950.
The constancy of desoxyribose nucleic acid in plant nuclei.
Swift, H. H.
Annu. Rev. Genet., 5, 237–256, 1971.
The genetic organization of chromosomes.
Thomas, C. A.
Current Opin. Biotechnol., 17, 147–154, 2006.
Agrobacterium-mediated genetic transformation of plants: biology and biotechnology.
Tzfira, T. and Citovsky, V.
Current Opin. Biotechnol., 21, 218–224, 2010.
Genetic and biotechnological approaches for biofuel crop improvement.
Vega-Sanchez, M. E. and Ronald, C. P.
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 96, 14147–14152, 1999.
Suppression of gene silencing: a general strategy used by diverse DNA and RNA viruses of plants.
Voinnet, O., Pinto, Y. M., Baulcombe, D. C.
Nat. Rev. Genet. 2, 333-341, 2001.
Yesterday’s polyploidization and the survival of Helitrons in the maize genome.
Yang, L., Bennetzen, J. L.