Ugrás a tartalomhoz

Erdészeti - természetvédelmi genetika

Mátyás Csaba

Mezőgazda Kiadó

Pillantás a jövőbe: a genetika kihívásai

Pillantás a jövőbe: a genetika kihívásai

A genetika 20. századi viharos fejlődése révén elérhető közelségbe került nemcsak az örökletes genetikai hibák „kijavításának” lehetősége, hanem elméletileg tetszőleges tulajdonságokkal rendelkező egyedek létrehozása is. Ma még alig látható előre, hogy mindez milyen hatással lesz az élő környezetre, a földi bioszféra egészére. Egészen bizonyosan nagyobb hatása lesz, mint az emberiség elmúlt 10 000 évi tevékenységének, amelynek során a mezőgazdaság és állattenyésztés (és ide sorolhatjuk az erdőgazdálkodást is) a hozzáférhető biotikus természeti erőforrásokat az emberi faj fennmaradása és szaporodása szolgálatába állította.

Ma már közvetve vagy közvetlenül a földi biomassza produkció mintegy 40%-át használja 6 milliárd embertársunk, és egyre nyilvánvalóbb a felismerés, hogy a korlátot nem ismerő fejlődés természetellenes és önpusztító – mert fenntarthatatlan. Nem engedhetjük meg magunknak a tudatlanság luxusát; fel kell ismerjük, hogy az emberi tevékenység egyre szélesebb körben befolyásolja az evolúciót, és vele együtt az emberi társadalom jövőjét. Ezzel a genetika etikai jelentőséget is nyert (gén-etika: l. Ferenczi, 1999).

A természetes rendszerek működésének megértése sokban segítségünkre lehet. Az evolúció négy és fél milliárd év alatt sok mindent kipróbált, amiből napjainkra a sikeres stratégiával rendelkező fajok, életközösségek maradtak fenn. Az örökítő anyag genetikai kódja évmilliók környezeti változásainak, katasztrófáinak élő emlékezetét és tapasztalatát hordozza. Úgy is fogalmazhatnánk, hogy a populáció génkészlete filogenetikai (leszármazási) értelemben vett ökológiai memóriája. A változásokhoz való alkalmazkodásnak és átörökítésének az elemzése ezért a jövő szempontjából nem érdektelen.

A növényi géntechnológia alkalmazásának lehetőségei

A biotechnológia 20. századi gyors fejlődése megteremtette a lehetőséget a növények (ill. sejtjeik) genomjába való beavatkozásra. A szövet- és sejttenyésztési, mikroszaporítási módszerek finomodásával, és mindenekelőtt a DNS transzformációval előállított transzgén növények révén egy új iparág, a biotechnológiai ipar keretei formálódnak. A genetikailag módosított szervezetek (GMO-k) új technológiák bevezetését, új termékek előállítását tették lehetővé.

Ennek a kérdéskörnek akár csak érintőleges tárgyalása is meghaladja a könyv választott tematikai és terjedelmi kereteit, ehelyett a rendelkezésre álló hazai és külföldi szakirodalomra utalunk (pl. Dudits – Heszky, 1999; Balázs – Dudits, 1999). Ezen a helyen csak a genomika a hagyományos genetikai felfogást árnyaló eredményeire térünk ki.

A lehetséges erdészeti alkalmazást csak példa szinten említjük meg, hiszen az erdészetben az agrár-termeléstől gyökeresen eltérő feltételek és célkitűzések miatt ezt a kérdést különös óvatossággal kell kezelni – ezért a géntechnológia gyors térhódítása meglehetősen valószínűtlen.

A genomika technikai lehetőségei

Elsősorban a Humán Genom Program végrehajtásának köszönhetően számos új technikai lehetőség vált hozzáférhetővé. A genetikai elemzés robotizálása és összekötése informatikai rendszerekkel egy új tudomány, a genom-tudomány (genomika) megszületéséhez vezetett. A genomika az élőlények genetikai állományának, azaz a genom szerkezetének, nevezetesen a DNS szekvenciájának (bázissorrendjének) meghatározásával és működése feltárásával foglalkozik.

A genomika lehetővé teszi az expresszálódó gének vizsgálatát az egyedfejlődés különböző fázisaiban, az egyes eltérő sejttípusokban. Lehetővé válik az egyedi különbségek elemzése is, így pl. az előnyös tulajdonságokat hordozó egyedekben található géneké. A különböző környezeti feltételek között végzett vizsgálat fényt deríthet arra, hogy a környezetváltozás mely gének működését befolyásolja. Mindez a gének egyenkénti vizsgálata helyett a genom szintjén történő szimultán elemzés révén végezhető el.

Új felismerések a genom működéséről

Nem nélkülözi a szimbolikát, hogy az emberi genom tartalmát az új évezred első évében, 2001-ben hozták nyilvánosságra. Bár a leközölt adatok véglegesítése és kiegészítése még évekig eltarthat (csak a genom 83–84%-át fejtették meg, és ennek is csak egy harmada végleges szekvencia), az már ma is nyilvánvaló, hogy ez a tudományos teljesítmény a tudománytörténet egyik legjelentősebb fegyverténye, amelynek az emberi társadalomra kifejtett hatása még fel sem mérhető.

A közvetlen orvosi jelentőségen túl ez a felfedezés – a biotechnológia korábbi eredményeivel kombinálva – sok más tudományterületet is befolyásolni fog, és a várható gazdasági kihatások mellett politikai, sőt stratégiai következményekkel is számolni kell. Az emberi genom megismerése nagy hatással lesz a közgondolkodásra, és komoly filozófiai, etikai és jogi kérdések sokaságát veti fel.

A genom működésének megismerése szemléleti változást is hoz a 21. század genetikájába. Mindenekelőtt a gén és a genom klasszikus értelmezése szorul kiegészítésre. Megrendülni látszik az a leegyszerűsítő felfogás, amely a gént egyértelműen elkülöníthető, adott funkcióval rendelkező DNS-szakaszként fogja fel. A kutatási eredmények arra utalnak, hogy a gén funkciója nem feltétlen rögzített. A DNS-szakasz szerepét, működését más gének kölcsönhatásai és különböző eredetű szabályzó molekulák együttes hatása, kémiai dinamizmusa határozza meg.

Változó génfunkciót tesz lehetővé az átírás és szintézis során tapasztalt „alternatív splicing”. Kiderült, hogy a genetikai információ átírásakor az átírási termék érési folyamaton (splicing) megy át, melynek során egyes szakaszok kivágódnak. Sejttípustól, szövettől, fejlődési és élettani állapottól függően az érési folyamat eltérő lehet, miáltal eltérő RNS és a továbbiakban eltérő fehérjék képződhetnek. Maga a fehérjetermék is a továbbiakban sokoldalú reverzibilis és irreverzibilis változásokon mehet keresztül, amelyek befolyásolják aktivitását, stabilitását, sőt – az evolúció részeként – funkcióját is.

A génfunkciót jelentősen módosíthatja a géndózis (ha a DNS-szakasz több példányban található a genomban), illetőleg azt is kimutatták, hogy a recesszív allélok a heterozigótákban is kifejthetik hatásukat.

Az emberi genom programban az egyidejűleg két kutatócsoport által 2001-ig meghatározott gének száma közel 30%-ban eltér (31, ill. 39 ezer gén), ami arra utal, hogy a gének eddigiekben kidolgozott lehatárolási módszerei bizonytalanok. Emellett a látensen vagy átfedő módon működő DNS-szakaszok feltárása arra enged következtetni, hogy a gének száma a jelenlegi becsléseknél valószínű kissé magasabb lehet.

Mindez megerősíti, hogy az élőlények fenotípusában, viselkedésében megnyilvánuló összetettség forrását a külön-külön működő végtelen nagy számú gén helyett sokkal inkább a gének alternatív funkcionálásában, a gének közötti kölcsönhatásokban, a génexpressziós programokban kell keresni, amelyhez a szervezet élettani, fejlődési állapota és a külső környezet hatásai járulnak.

Az elkövetkező évtizedek óriási kihívása a modellszervezet-genomok ismertté vált bázissorrendje (szekvenciája) funkcionálásának megismerése. Ehhez paradox módon a „hagyományos” fenotípus, a fenotípus-genotípus kapcsolat eddigieknél sokkal pontosabb feltárása szükséges: a laboreredmények felértékelik a kísérletes, terepi megfigyelések fontosságát.

A génekről kialakuló árnyaltabb kép a genom egészét is új megvilágításba helyezi. A stabil, változatlan genomról alkotott hagyományos szemlélet módosulni látszik. A kromoszómák szabálytalan átkereszteződése, a nem kódoló, repetitív szakaszok nagy száma, a tartósan beépült retrovírusok, a mobilis (áthelyeződő) genetikai elemek jelenléte arra enged következtetni, hogy a genom egészét nagymértékben véletlen (semleges) evolúciós folyamatok határozzák meg, ezért egyáltalán nincs mit csodálkozni azon, hogy nincs összefüggés az élő szervezet biológiai komplexitása és a genom nagysága („C-paradoxon”), illetve a gének száma között.

A genom képlékenységére utaló jelek miatt egyre inkább erősödik az a nézet, hogy a genom „plasztikus”, „folyékony” vagy „mobilis”. Ráadásul egyes eredmények arra utalnak, hogy az egyedi örökítő állomány „zsugorodhat” (aszály, szövettenyésztés, öregedés következtében), vagy bizonyos egyedfejlődési szakaszokban gyarapodhat is. A „plasztikus genom” gondolatának felmerülésében a fenyők citológiai vizsgálata jelentős szerepet játszott (Miksche, 1968). Kimutatták, hogy egyes luc és Pinus fajokban a kromoszómák méretei fajon belül változnak. A sejtenkénti DNS-tartalom meglepő módon bizonyos származások esetében eltéréseket mutat. A fenyők változó genom-méretének kérdése mind a mai napig – a citológiai módszerek nehézségei miatt – vitatott és tisztázatlan. Hasonló szabálytalanságokat tártak fel az amerikai kőrisnél is.

Ugyancsak vitatottak pl. azok az eredmények, amelyek arról számolnak be, hogy egyes fajoknál a juvenilis növény termőre fordulásával a DNS-tartalom megnövekszik. A borostyán (Hedera helix) termőre forduláskor nagyon karakteres morfológiai változáson megy át. Egyes szerzők szerint ezzel a sejtenkénti DNS-tartalom ugrásszerű növekedése jár együtt. Az eredmények szokatlansága ellenére tény, hogy több mezőgazdaságban termesztett faj esetében hasonló jelenségeket tapasztaltak, pl. kukoricánál, lennél, napraforgónál. A genom méretváltozásának átörökítésére nincsenek bizonyítékok (Greilhuber, 1997).

A fajon belül, sőt az egyedfejlődés során fellépő genom-változások ténye ma még nem általánosan elfogadott, de alkalmas magyarázatot szolgáltathat pl. a rokon fajok között sokszor tapasztalható jelentős genom-különbségekre.

Géntechnológia alkalmazási lehetőségei az erdőgazdálkodásban

A géntechnológiai beavatkozások erdészeti célkitűzései igen sokrétűek lehetnek. Így pl. a következő tulajdonságok megváltoztatása látszik lehetségesnek (a felsoroltak közül több probléma megoldásán már dolgoznak):

  • betegségekkel és rovarokkal szembeni rezisztencia;

  • növényirtó szerekkel szembeni rezisztencia;

  • hajtáscsúcs-dominancia (a koronaalak befolyásolása);

  • szárazságtűrés;

  • anyagcsere-folyamatok, ezen belül a tápanyag-felvétel és hatékonyság;

  • a fotoszintézis hatékonysága, vagy

  • a faanyag-tulajdonságok, ezen belül a lignin mennyiségének és összetételének megváltoztatása.

A géntechnológiai eljárások révén előállított egyedek tömeges termesztése az erdészetben különösen nagy kockázatot jelent, részben a termesztési ciklus hosszúsága miatt. Ennél is nagyobb kockázatot jelent a módosított allélok kiszökési lehetősége, hiszen az eddigiekben bemutattuk az erdei fák jellegzetesen erős migrációs képességét. A jelenleg még csak kísérleti szintű eljárások környezeti hatásai lelkiismeretes genetikai és ökológiai elemzést igényelnek.

Példa az alkalmazási lehetőségekre: beltartalmi tulajdonságok megváltoztatása géntechnológiával

A lignin a fatestet alkotó sejtek falában azok mechanikai szilárdságát biztosítja, másrészt impermeabilitása révén fontos szerepe van a vízszállításban, és a betegségek terjedésének meggátlásában is.

Ugyanakkor a faanyag lignintartalma a cellulózgyártás során csökkenti a kihozatalt, eltávolítandó anyag. A növényevők táplálékában a lignin emészthetetlen, inert anyag marad. A lignin-összetétel módosítása, mennyiségének csökkentése ezért jelentős előnyökkel járhat. A cellulózgyártásban a módosított lignintartalom kevesebb vegyszerfelhasználást, rövidebb feltárási időt, ezáltal nagyobb cellulóz kihozatalt jelenthet.

A faanyag felépítésében mintegy 1000 gén vesz részt. A lignin bioszintézise soklépcsős folyamat eredménye. A szintézis nem feltétlen egymásra épülő lépések sora, sokkal inkább alternatív lehetőségek hálójából áll. A bonyolult szerkezetű ligninmolekula alapépítőkövei alkohol típusú vegyületek (fenyők esetében: koniferil-alkohol). A lignin-bioszintézist meghatározó enzimek módosulása más típusú végtermékhez vezethet. Sederoff és mtsai (1997) találtak olyan Pinus taeda egyedet, amelyben mutáns CAD enzimet (cinnamil-alkohol-dehidrogenázt) kódoló allél található. A vizsgált egyedben a bioszintézis során nagy mennyiségű dihidro-koniferil-alkohol képződik, amely a lignin építőelemeként keresztkötések képzésére alkalmatlan.

A mutáns faanyagának kémiai feltárása során kevesebb szódára volt szükség, a cellulóz kihozatal jelentős mértékben megnövekedett. A kedvező tulajdonságot hordozó allél beépítése révén ipari célokra alkalmasabb genotípusok kinemesítésére nyílik lehetőség. Az eljárás kockázata, hogy a csökkent lignintartalom az egyedek rezisztenciájára, mechanikai stabilitására hatással lehet.

A erdészeti genetika konvencionális alkalmazása a jövőben

A géntechnológia egyelőre bizonytalan alkalmazási lehetőségei mellett az erdészetben a nemesítés konvencionális módszerei a jövőben is fontos szerephez fognak jutni. A sors különös fintora, hogy a genetika gyors fejlődésével szinte egy időben egyre növekvő tábora támad az erdei ökoszisztémákba való beavatkozás minden formáját elutasító mozgalmaknak. Nem lehet véletlen, hogy a kutatások súlypontja a gyakorlati, nemesítést szolgáló feladatoktól egyre inkább áttevődött az elméleti, illetőleg a természetvédelmet szolgáló területekre, amit könyvünk tematikája is megerősít.

Az erdészeti erőforrások globális állapotát tekintve, mindezek ellenére kevéssé valószínű, hogy az erdészeti genetika eredményei a jövőben inkább csak a természetvédelemben kerülnének felhasználásra. Legalább négy olyan jelentős globális kihívással kell számolni a következő évtizedekben, amely az erdészeti kutatás, és azon belül az erdészeti genetika és nemesítés erőteljes fejlesztését fogja igényelni:

  • az erdészeti (és ezen belül az erdészeti genetikai) erőforrások katasztrofális fogyása és degradációja a fejlődő világban, amely elsősorban a népességrobbanás egyenes következménye;

  • ezzel összefüggésben súlyos tűzifahiány ugyanezekben a térségekben (a szegény országok energiaválsága);

  • az erdőterületek környezeti károsodása az iparilag fejlett országokban; továbbá

  • az előrejelzett éghajlati bizonytalanság erdőtakaróra gyakorolt hatása.

Mind a négy problémakör jelentős hatással van (vagy a jövőben lesz) az erdők kiterjedésére, összetételére és egészségi állapotára, ezen keresztül az erdőgazdálkodás lehetőségeire. Az egyre növekvő természeti területek mellett az intenzíven kezelt faültetvények létjogosultsága ezért alig vitatható, különösen ha meggondoljuk, hogy ezzel a védelemre szoruló területeket tehermentesítjük (Ausztráliában pl. az erdőterület alig két százalékán a kitermelt faanyag kétharmadát állítják elő). Ezek az ültetvények nem helyettesítik a természetes ökoszisztémákat, bár ökológiai szempontból így is értékesebbek, mint egyes agrár hasznosítási alternatívák.