A mikroszaporítás története
És hogy kötöttünk ki a génszerkesztésnél?
Többször említettem már a korábbi hírleveleimben, hogy bár újdonságnak tűnhet a mikroszaporítás, egy kiforrott, viszonylag régóta alkalmazott tudományterületről van szó. Az alábbiakban megkísérelem összeszedni a fontosabb állomásokat és mérföldköveket, és megmutatni, hogyan vált a növénytermesztést forradalmasító technológiává.
A távoli kezdetek
Jóval a tudományok megjelenése előtt már zajlott a növények mesterséges szaporítása. A vegetatív és generatív szaporítás kiismerése és elsajátítása vezetett a mezőgazdaság megjelenéséhez.
A tudatos vagy kevésbé tudatos szelektálás és hibridizáció nyomonkövethető számos zöldség- és gyümölcstermő növényünk kialakulásában. Az oltást időszámításunk előtt kétezer évvel már használhatták Kínában, időszámításunk előtt 424-ből származik az első ókori görög leírása, de az Újszövetségben is találunk említést róla.
Látványos előrelépésekre a 17. század környékéig várnunk kell, de ne felejtsük el, hogy a nagy tudományos felfedezésekhez rengeteg, ma már triviális ismeretet kellettt felhalmoznia az emberiségnek. Ebben a munkában megszámlálhatatlan, jobbára névtelen botanikus, gazda, kertész, szerzetes, tudós, stb. vett részt.
Sejtelmélet
A mikroszaporítás és biotechnológia felé az első lépés a mikroszkóp feltalálása volt. Ezt többen meg is ugrották a 17. század kezdetének környékén. A mikroszkóppal végzett megfigyelések számos felfedezéshez és új elmélethez vezettek, valamint megjelent a szókincsünkben a “sejt” szó.
A mikroszkópikus világ felfezedése rendkívüli esemény volt, azonban a következő közel másfél évszázad fejlődését megakasztotta, hogy a tudományos világ dűlőre jusson, hogy az itt látott apró élőlények vajon spontán, a semmiből képződnek-e, vagy más sejtekből, spórákból és egyebekből.
Az 1860-as évekig kellett várni, amíg általánosan elfogadottá vált a manapság már banálisan hangzó igazság, miszerint új sejtek csak már létező sejtekből tudnak kialakulni. Ebben fontos szerepe volt a pasztőrizálás feltalálásának1, mely megmutatta, hogy a megfelelően hőkezelt élelmiszerek nem tartalmaznak élő mikroorganizmusokat, és hosszabb ideig elállnak.
1838-ban két tudós megállapította, hogy a növényi és állati szervezetek sejtekből épülnek fel, ezzel megalkotva a sejtelméletet és ajtót nyitva számos tudományterületnek. Ekkor már sejteni vélték (hehe érted), hogy megfelelő körülmények közt akár egy darab sejt is létrehozhat egy teljes élőlényt.2
Szövetkultúra
Az alapok lefektetése után ugyan nem gyors, de látványos eredményeket sikerült elérni; a mikroszaporítás történetében talán a legjelentősebb korszak következett. Az összes elért eredményt hosszú lenne részletezni, ezért most csak a legfontosabbakat emelem ki.
Az 1880-as évektől kezdve már többen foglalkoztak növényi szövetkultúra létrehozásával, viszont az áttörésre egészen 1902-ig várni kellett. Az első in vitro növényi sejt hónapokig életben maradt, viszont osztódásra nem sikerült rábírni. Embriókultúrát azonban sikeresen létrehoztak 1904-ben káposztafélék felhasználásával.3
Újabb két évtizedet kellett várni, amíg 1922-ben két tudós egymástól függetlenül hajtás- és gyökércsúcsból hozott létre osztódó, tehát növekedő szövetkultúrát. Ebben az évben egy másik fontos mérföldkövet is sikerült elérni: először csíráztattak szimbionta gombafonalak nélkül orchidea magvakat.
A következő évtizedekben sorra következtek a sikeres in vitro kísérletek, melyek mind a mai napig hatalmas jelentőséggel bírnak:
1934-ben bizonyították az organogenezist és a növényi regenerációt
1952-ben sikeresen hajtottak végre vírusmentesítést merisztémakultúrából
1954-ben önálló sejtekre bontottak kalluszt, majd nem sokkal később sikeresen végrehajtottak szomatikus embriogenezist répasejtek felhasználásval, azaz testi sejtekből állítottak elő embriókat, amelyek teljes értékű növényekké növekedtek
Az in vitro kísérletekkel párhuzamosan egy másik terület is egyre nagyobb figyelmet kapott: milyen táptalajt használunk a növények nevelésére, milyen adalékokkal.
1926-ban felfedezték az első auxint (indol-3-ecetsav)
1955-ben felfedezték az első citokinint (kinetin)
1962-ben Murashige és Skoog kifejlesztette a róluk elnevezett MS médium alapot, ami a mai napig a legnépszerűbb táptalaj adalék
Biotechnológia
A 60-as évektől kezdve egyre több kutatás a biotechnológiával kezdett foglalkozni. Ebben a korszakban a növények ipari felhasználására helyeződött a hangsúly, a kutatások a genetikai manipuláció felé haladtak.
A következő fontos állomás az első sikeres protoplaszt fúzió volt. A protoplaszt olyan sejtet jelent, amelynek a sejtfalát kémiai eljárással lebontották. A protoplaszt fúzió segítségével hibrideket hozhatunk létre, melynek az egyik első példányát 1972-ben, a dohány (Nicotiana tabacum) és fekete csucsor (Solanum nigrum) között hozták létre, majd 1978-ban paradicsom (Solanum lycopersicum) és burgonya (Solanum tuberosum) keresztezésével is sikeresen jártak el.
Az így létrejött pomato hibrid után kutatva egy kertészeti szörnyszülöttbe botlottam, amely egyáltalán nem genetikailag módosított, de látványos példa: a paradicsomot és burgonyát a korábban már említett oltással is lehet házasítani, melynek eredményeképp a magyarul krumplicsomra keresztelt együttest kapjuk.
A növényi transzformáció felfedezése, ezen belül az agrobaktériumos transzformálás 1974-1977-ben alapozta meg a növények mai értelemben vett génszerkesztését. Transzformálás alatt azt értjük, amikor a növény genetikai összetétele módosul azáltal, hogy külső forrásból származó DNS-t vesz fel és épít be a saját szervezetébe. Az így létrehozott növényeket transzgénikusnak vagy genetikailag módosítottnak (GM-nek) nevezzük.
Az agrobaktériumos transzformálás működési elve az Agrobacterium tumefaciens elnevezésű baktérium (mely az agrobaktériumos gyökérgolyvát okozza) természetes életfolyamataira épül. A növény szervezetébe mechanikai sérülés útján kerül be, majd egy úgynevezett T-DNS (transfer - átviteli) sejtbe juttatásával módosítja a növény DNS-ét és ezáltal a növekedését: citokinin és auxin termelésre sarkallja, ami sejtburjánzáshoz, a golyva kialakulásához vezet. A növény a golyvában az opinnak nevezett kémiai anyag termelésébe kezd, amely fontos energia, szénhidrát és nitrogén forrás a baktérium számára.4 Ezt a folyamatot alkalmazzák génszerkesztésre olyan módon, hogy az agrobaktérium által bejutatott DNS-t kicserélik a kívánt tulajdonságot kódoló DNS-re.
1994-ben piacra dobták az első, kereskedelmi forgalomban kapható transzgénikus növényfajtát, egy utóérő paradicsomot, amelytől hosszabb eltarthatóságot reméltek. Bár valóban tartósabbnak, a rohadásnak ellenállóbbnak bizonyult hagyományos társaival szemben, a termések ugyanúgy plöttyedtekké váltak. Ráadásul a vásárlók nem megfelelő tájékoztatása a génmódosításról a paradicsom heves elutasításához vezetett.
Fontos, a génszerkesztéshez nem kapcsolódó egyéb felfedezést is tettek ezidőtájt. Mint már korábban említettem, a mikroszaporítás egyik fő előnye, hogy az így szaporított egyedek genetikailag megegyeznek az anyanövénnyel és egymással. 1981-ben azonban megállapították, hogy ez nem minden esetben igaz, és az így létrejövő változást nevezzük szomaklonális variációnak. A szomaklonális variáció kereskedelmi mikroszaporítás esetén nem kívánatos jelenség, ám növénynemesítés szempontjából egy újabb eszköz, melyet elsősorban a dísznövények esetében alkalmaznak.
Modern növényi biotechnológia
Míg az ezredfordulóig a transzgénikus növények kifejlesztésén volt a hangsúly, manapság más jellegű kérdések foglalkoztatják a hozzáértőket és a laikusokat: törvényileg hogyan szabályozzuk őket, biztonságos-e a termesztésük és a fogyasztásuk, és egyáltalán: van-e rájuk szükségünk?5
Napjainkban a GM növények már szinte általánosnak mondhatóak.6 Világszinten az USA, Kanada, Brazília, Argentína és India a legnagyobb termesztők. A genetikailag módosított növényeket legnagyobb arányban állati eledelnek termesztik, vagy ipari felhasználásra.
A transzgénikus növények ellentmondásos helyzetére itt egy példa: 2000-ben génsebészettel előállították a ‘Golden Rice’ rizs fajtát, amely A-vitamin előállításához szükséges béta-karotint tartalmaz. Az A-vitamin hiány látásromlást (pl farkasvakságot), súlyosabb esetekben vakságot vagy akár halált is okozhat. Ez a hiánybetegség szegényebb országokban jellemző, főleg a gyerekeket és a termékeny korú nőket veszélyezteti. Ennek enyhítésére-felszámolására hozták létre az aranyrizst. Az első verziója elenyésző mennyiségben termelt béta-karotint, viszont a “kettes” variációjából egy csésze elfogyasztása már képes fedezni a napi A-vitamin bevitelt.
Azonban nincs ismeretünk arról, hogy az aranyrizs képes-e beváltani a hozzáfűzött reményeket: a GM-ellenes tiltakozások eredményeként ugyanis csak pár országban engedélyezett a termesztése. Ezek közül a Fülöp-szigeteken (ahol talán a legnagyobb jelentősége lehetne), két évvel az engedélyezése után a fellebbviteli bíróság visszavonta a termesztési engedélyt, mivel nem találták egyértelműen megállapítottnak, hogy az aranyrizs termesztése és fogyasztása biztonságos. A többi országban elenyésző a termesztés mértéke.
Az EU-ban a világ más részeihez képest szigorúbbak a szabályozások, és tagállamonként változó, valamint nagyobb hangsúly van fektetve a fogyasztók tájékoztatására, de alapvetően nincs megtiltva a GM növények termesztése vagy forgalmazása. Az EU-ba importált takarmány kis százaléka transzgénikus kukorica vagy szója.
A GM növényekkel kapcsolatban több aggály is felmerül: lehetséges, hogy fogyasztásuk allergiás reakciót válthat ki, rontják a biológiai változatosság arányát, elősegíthetik a kártevők és gyomok vegyszererekkel szembeni ellenállóképességét. Ezen felül nem lehet kizárni, hogy továbbadják rokon (termesztett, vagy vadon élő) fajoknak a módosított genetikai állományukat.
A genetikailag módosított növényekkel kapcsolatos jogi viták és kérdések a tudományos kutatásokat nem állították meg. 2013-ben alkalmazták először a CRISPR eljárást növényeken. A CRISPR a génszerkesztés egy modern formája, amely lehetővé teszi, hogy egy darab sejt DNS állományát precízen módosítsuk. Nagy jelentősége a transzformációs technológiákhoz képest, hogy a jelenlegi álláspont szerint nem minősül GM-nek, ugyanis alkalmazása során nem kerül új, idegen eredetű DNS a szervezetbe.
Az így létrehozott növényekhez hasonló reményeket fűznek, mint transzgénikus társaikhoz: nagyobb hozam, jobb ellenállás a kártevőkkel és betegségekkel szemben. Jobb genetikai állományuk talán alkalmasabbá teszi majd őket arra, hogy a segítségükkel a klímavátozással kapcsolatos mezőgazdasági kihívásokat megugorjuk.
Utószó
Ebben a hírlevelemben azt igyekeztem bemutatni, hogy milyen lépések vezettek el a modern mikroszaporítás és növényi biotechnológia kialakulásához, illetve milyen előnyöket, kihívásokat és kérdéseket hozott el ez a fejlődés. Remélem, sikerült adnom némi rálátást arra, hogy a technika nagy része nem igazán újdonság - csak most vált általánossá a leghétköznapibb szinteken is.
Ismét szeretném megköszönni a nagyfokú érdeklődést és a visszajelzéseket! Ha kérdésetek támadna, vagy szívesen olvasnátok valamilyen témáról, kommenteljetek!
Források
https://www.intechopen.com/chapters/40180
https://courses.cit.cornell.edu/hort494/universe/history/history.html
https://www.intechopen.com/chapters/40180
https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2022.926752/full
Pasteur a közhiedelemmel ellentétben először nem tejtermékekkel foglalkozott, hanem a francia borok tartósságának növelésén.
Ezt nevezzük totipotenciának. Bizonyítani akkor még nem tudták, hogy ez nem csak az ivarsejtekre, hanem a szomatikus (testi) sejtekre is igaz.
Ebből is látható, hogy úgymond kezdetleges eszközökkel is igen messzire lehet jutni a mikroszaporítás területén. Ami a korabeli kutatóknak egy modern laboratórium volt, az manapság egy jól felszerelt konyhában elérhető.
A növény természetesen legyengül az abnormális működéstől és végül elpusztul. Az agrobaktériumos gyökérgolyva fertőzés megjelenése esetén a fertőzött növényt meg kell semmisíteni (például égetéssel), a helyére pedig csak egyszikűeket lehet ültetni a következő pár évig, őket ugyanis nem támadja meg. 4-5 év eltelte után a talajból élelem hiányában kipusztul az agrobaktérium, és újra biztonságossá válik kétszikűek ültetése a területen.
A genetikailag módosított növények legális állapotán túl az ezredforduló elhozta a világ megismerésének egy új eszközét: 2000-ben szekvenálták az első növényi genomot, a Magyarországon is honos lúdfűét (Arabidopsis thaliana), majd 2005-ben a rizs (Oryza sativa) genomja következett.
2020-ban az USA-ban a termőterület 55%-a GM növénnyel volt bevetve.