Molekuláris növény nemesítés alapjai

Növénynemesítés háttere Ősi időkben: kb 10.000 éve A növénytermesztéssel egyidőben megkezdődtek a növények módosítása. Cél: nagyobb terméshozam, jobb minőség Eszköze: szelektálás Ókorban magas szintű ismeretekkel rendelkeztek a virágzás, megtermékenyítés, a szaporodás és szaporítás körülményeiről A mikroszkóp feltalálásával, a növényrendszerezés (Linné) és genetika alapjainak (Mendel) lefektetésével kezdődött a klasszikus értelembe vett növénynemesítés. Cél: nagyobb terméshozam, jobb minőség, a Föld növekvő élelmiszerigényeinek kielégítése Eszköztára: keresztezés (fajon belül, majd családon belül akár a szexuálisan összeférhetetlen fajok között is), mutáció, szelekció, kromoszómák számának sokszorozása

Napjaink mezőgazdasága: Elvárások: - minőségi élelmiszer előállítás csökkenő mezőgazdasági területeken - termésbiztonság megtartása a klimatikus viszonyok megváltozása mellett (szélsőséges időjárások) Megoldás: kutatás és innováció eredményeire épülő, korszerű mezőgazdaság, amely integrálja a legújabb technológiákat, s így állítja elő az élelmet és ipari alapanyagokat A FAO jelmondata: „Fiat panem- Kenyeret mindeninek”

Hagyományos növény nemesítés: fenotípusból indul ki a keresztezések utáni generációk tulajdonságaiból próbál következtetni a genotípusra Géntechnológiára épült molekuláris nemesítés: genotípusból indul ki és azt célirányosan megváltoztatva állítja elő a kívánt fenotípust. Komplex technológia: molekuláris biológia, sejtgenetika, szövettenyésztés. A géntechnológiával nemesített növényeket nevezzük GMO vagy transzgénikus növényeknek.

Növényi sejt felépítése

Kultúrnövények genomja: 108 – 3x1010 nukleotid váltakozó sorrend határozza meg a genetikai információt. Primer információ (bázis triplet) adja a fehérje aminosav sorrendjét Gén: olyan DNS szakasz, mely 1 vagy több fehérjét, és azok megnyílvánulásához szükséges regulációs szekvenciát kódol. Magasabbrendű növényekben 30-50000 gén GMO: genetically modified organism (mikróba, gomba, növény, állat) In vitro DNS rekombináció Olyan élőlény, melynek örökletes állományába célzottan bevittek valamilyen DNS szakaszt, a természetes kereszteződés kikerülésével (recipiens élőlény). Az idegen DNS származhat természetes forrásból vagy szintetizálható laboratóriumban (donor). Transzgénikus: ha a bevitt DNS idegen fajból származik Ciszgénikus: ha saját fajból származik a DNS

In vitro DNS rekombináció alapfogalmai Restrikciós endonukleázok = restrikciós enzimek: olyan enzimek, melyek bizonyos DNS szakaszokat felismernek és elvágják (60-as években fedezték fel: baktériumok képesek ellenállni bakteriofág fertőzéssel szemben, feldarabolják a DNS-t)

In vitro DNS rekombináció alapfogalmai Klónozás: Genetikailag azonos másolatok készítése (DNS klónozás: egy darab DNS átvitele egyik sejtből a másikba, úgy, hogy információtartalma megmaradjon és ellátja az információátvitel funkcióját.) Vektor: hordozó molekula, mely segít a gazdasejtbe jutásban és biztosítja, hogy a DNS információ ne sérüljön. Leggyakoribb: plazmid vektor: kicsi, duplaszálú DNS gyűrű. Baktérium DNS-től függetlenül sokszorozódik. Klónozó vektor általános felépítése: replikációs origó, multiklónozó hely, szelekciós gén ( ált. antibiotikum rezisztenciát hordozó gén)

In vitro DNS rekombináció alapfogalmai Promoter: A gének előtt elhelyezkedő DNS szakasz, amit az RNS polimeráz felismer és elindítja a transzkripciót. Konstitutív (folyamatos működést biztosít), szerv- vagy szövetspecifikus és Indukálható Expressziós vektor: Jó hatásfokkal történő mRNS színtézis A szintézis ki- és bekapcsolhatósága A fehérjeszintézis megsokszorozása A termék szekréciója

GM növények előállítása Transzformáció Növény regeneráció Cél gén felszaporítása klónozó vektorban Cél gén expressziós vektorba építése Cél gén közvetlen vagy közvetett növénybe juttatása A növények totipotenciáját használják ki. Így fiatal levéldarabból teljes növény regenerálható in vitro génpuska Agrobaktérimos génátvitel

Transzgénikus dohány (paf: antifungális protein) fs

GM növények a termelésben 1994: USA az első transzgénikus növény közforgalomba kerülése: későn puhuló paradicsom. Szántóföldi körülmények között vizsgált GM fajták száma: ~100 kb 25%-a került köztermesztésbe 2004. 81 millió hektáron termesztettek GM növényeket a világon A GM növények 99%-át 6 országban termesztik: USA 63% Argentína 21% Kanada 6% Brazília 4% Kína 4% Dél-Afrika 1% 2010-ben 148 millió ha világszerte: 14 millió gazdálkodóból 13 millió forrásszegény kisgazdálkodó Főbb GM növények: szója, gyapot, kukorica Legelterjedtebb GM tulajdonság: herbicid rezisztencia Várható új génbeépítések száma: rovar- és gyomirtószer rezisztencia Szárazságtűrés, jobb nitrát- és foszforhasznosítási képesség

GM kutatások fejlesztése EU: FP keretprogram keretében 200 millió euró (kockázatbecslés, egymásmellettiséggel foglalkozó témák, kevés eredeti GM technológia) Monsanto: 1 milliárd dollár Kína (2008): „transzgénikus zöld forradalom” 3,5 milliárd dollár Magyarország: álláspont intenzív kutatás: - 1986: kanamicin rezisztens lucerna - vírus rez. dohány - stressztűrés kórokozó ellenálló növények 13

Genetikai transzformáció irányai 1983: Az első transzgénikus növény (kanamicin rezisztens) 1986-87: Gazdaságilag jelentős GM növény Az egyik ága a hagyományos értelemben vett transzformáció, amely arra szolgál, hogy a növényben célzottan 1-2 tulajdonságot változtassunk meg, melyeknek komoly termesztéstechnológiai, kereskedelmi vagy ipari értékük lehet: pl. valamilyen herbicid rezisztencia gén (első generációs GM). Növény élettani folyamataiba, fejlődésébe való kedvező beavatkozás. Cél: speciális minőség kielégítése: fogyasztói és élelmiszeripar igényeinek kielégítése (második generációs GM). Zárt rendszerben megoldható GM termelés. Genetikai transzformációval növények egyfajta bio-gyógyszergyárként szolgálnak vakcinák, védőanyagok előállítására: pl. inzulin, erytropoetin, tetanus. Ez a fajta transzformáció előnyösebb, ha kloroplasztiszban végzik, így a szükséges vakcina génje egy sejten belül sok kópiában van jelen. A transzgén expressziója promóterekkel szabályozható (harmadik generáció GM).

GM növények előállításának menete GM növények előállítása: 8-10 év laboratóriumi vizsgálat, szabadföldi kipróbálás és tesztelés, fajtaösszehasonlító kísérlet. Környezetvédelmi, toxikológiai, allergológiai, élelmiszer forgalomba hozatali engedélyezéshez szükséges vizsgálatok Bizonyítani kell: a transzgén stabil beépülését a génről megfelelő mennyiségben termelődik-e a fehérje a kívánt sejtekben e képesség stabilan öröklődik-e az utódokban A molekuláris nemesítés nem helyettesítheti a hagyományos fajta nemesítést. A GM fajták a legjobb, köztermesztésben lévő fajták GM módosítása. Kész fajtát érdemes génsebészeti úton módosítani. Ezeket lehet továbbnemesíteni hagyományos módszerekkel. A kétfajta nemesítés nem kizárja, hanem kiegészítheti egymást. (A géntechnológiával foglalkozó világcégek vetőmag vállalatokat vásárolnak meg: DuPont - Pioneer)

GM növények előállítása és a globalizáció összefüggése Verseny a GM növények várható piacának megszerzésért vegyipari konszernek fúzionálnak, vagy felvásárolnak biotechnológiai és/vagy vetőmag cégeket Tőkekoncentráció GM növények előállítása, eljárások, fajták, gének szabadalmi védelme „Aki kimarad,az lemarad” elv fokozott jelentősége GM fajták előállításának minden lépése védett egész világra kiterjedően. Az óriási tőkebefektetés miatt a kis nemzetek, kis cégek esélytelenebbé válnak