0010 1a book 03 novenygenetika

8/13/2019 0010 1A Book 03 Novenygenetika

1/84

Created by XMLmind XSL-FO Converter.

NVNYGENETIKA

Borbla Hoffmann


2/84

Created by XMLmind XSL-FO Converter.

NVNYGENETIKABorbla HoffmannPublication date 2011


3/84

iiiCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

Table of ContentsFedlap .............................................................................................................................................. viii1. AZ ABIOTIKUS STRESSZTOLERANCIA GENETIKAI ALAPJAI .......................................... 1

1. .............................................................................................................................................. 1

2. Tlllsg s fagytrs .......................................................................................................... 32. A NVNYI TPANYAG TRANSZPORTEREK ...................................................................... 6

1. Nvnyi ion-transzporterek izollsa .................................................................................... 62. A nvnyi ion-transzporterek gnjeinek izollsa hibridizcis technikval........................ 73. A nvnyi tpanyag transzporterek kzs molekulris jellemzi ......................................... 84. A nvnyi tpanyag transzporterek csoportostsa ............................................................... 95. A transzporterek aktivitsnak szablyozsa ...................................................................... 10

3. A NVNYEK NITROGN TPLLKOZSNAK GENETIKAI ALAPJAI ...................... 111. A nitrt s az ammnium felvtele s transzportja.............................................................. 112. A nitrt felvtelnek szablyozsa ...................................................................................... 123. Az ammnium felvtelnek szablyozsa........................................................................... 144. A nitrogn asszimilcija .................................................................................................... 155. Az ammnium asszimilcija ............................................................................................. 164. A NITROGN HASZNOST KPESSG ............................................................................... 191. A nitrogn hasznost kpessg .......................................................................................... 192. Kvantitatv genetikai megkzelts ..................................................................................... 20

5. A KN ANYAGCSERE GENETIKAI ALAPJAI ....................................................................... 251. A szulft felvtele ............................................................................................................... 252. A szulft-transzporter csald ............................................................................................... 263. A szulft transzporterek expresszijnak szablyozsa s a szulft asszimilcija ............ 264. Nitrogn kn interakci .................................................................................................... 28

6. A NVNYEK FOSZFOR TPLLKOZSNAK GENETIKAI ALAPJAI ......................... 301. A foszfor felvtele s mozgsa a nvnyben ...................................................................... 302. A foszft egyenslyi llapot biztostsa .............................................................................. 343. A nvny-gomba egyttmkds........................................................................................ 35

7. A KLIUM ANYAGCSERE GENETIKAI ALAPJAI ............................................................... 361. A klium szerepe a gzcsere szablyozsban .................................................................... 362. A klium felvtele ............................................................................................................... 363. A K+ transzportja ................................................................................................................ 374. K+ transzporterek azonostsa ............................................................................................ 375. Redundancia s specifits ................................................................................................... 396. A K+ -transzport szablyozsa............................................................................................ 39

8. TOVBBI ELEMEK ASSZIMILCIJNAK GENETIKAI ALAPJAI .................................. 411. A klcium tpllkozs genetikai alapjai .............................................................................. 412. A klnbz nvnyfajok klcium ignye.......................................................................... 413. A klcium akkumulciban szerepet jtsz gnek azonostsa........................................... 424. A klcium toleranciban szerepet jtsz gnek................................................................... 44

9. A SZRAZSGTRS GENETIKAI ALAPJAI ....................................................................... 461. A nvnyek vzllapotnak jellemzse ............................................................................... 462. A vzhinyhoz trtn adaptci......................................................................................... 473. A gykr szerepe a szrazsgtrsben ................................................................................ 48

10. A VZHASZNOSTS GENETIKAI ALAPJAI ....................................................................... 521. A vzhasznost kpessg rtelmezse ................................................................................ 522. A vzhasznostst befolysol jellegek ................................................................................ 53

11. FAJ- S NEMZETSGKERESZTEZSEK A GENETIKAI VARIABILITS NVELSRE 571. A faj- s nemzetsgkeresztezsek jelentsge .................................................................... 572. A faj- s nemzetsghibridek ellltsnak rvid trtnete................................................. 583. A faj- s nemzetsghibridek ellltsnak technikja........................................................ 58

3.1. Keresztezhetsg, inkompatibilits ........................................................................ 583.2. F1 hibrid csrzsa .................................................................................................. 583.3. F1 hibrid sterilitsa ................................................................................................. 593.4. F1 hibridekben a kromoszmk azonostsa .......................................................... 594. Idegen faj addcis vonalak ellltsa.............................................................................. 59


4/84

NVNYGENETIKA

ivCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

5. Idegen faj szubsztitcik ellltsa.................................................................................. 606. Idegen faj traszlokcik induklsa klnbz mdszerekkel.......................................... 60

6.1. Centrikus fzi induklsa ..................................................................................... 616.2. Homeolg prosods indukcija............................................................................. 616.3. Transzlokcik ellltsa kromoszmatrsek induklsval............................... 61

7. Martonvsron vgzett faj- s nemzetsgkeresztezsek...................................................... 6212. CITOGENETIKA S MOLEKULRIS CITOGENETIKA ..................................................... 631. Citogenetika ........................................................................................................................ 63

1.1. A kromoszma definicija...................................................................................... 631.2. A kromoszmk morfolgija ................................................................................ 631.3. Kromoszma svozsi mdszerek .......................................................................... 64

2. Molekulris citogenetika ..................................................................................................... 652.1. Az in situ hibridizci rvid trtnete s alkalmazsi terlete ............................... 652.2. Az in situ hibridizci fbb lpsei: ....................................................................... 662.3. Az in situ hibridizciban alkalmazhat prbk..................................................... 662.4. A prbk jellse az in situ hibridizciban ........................................................... 672.5. Fluoreszcens mikroszkp........................................................................................ 682.6. Az in situ hibridizci alkalmazsnak lehetsgei a jvben ............................... 68

13. JABB GENETIKAI MDSZEREK S GYAKORLATI JELENTSGK ........................ 691. A mikroarray eljrs............................................................................................................ 692. A genomikai ismeretek mezgazdasgi hasznostsa ......................................................... 71

14. A NVNYGENETIKA S A NVNYNEMESTS KAPCSOLATA, LEHETSGEK SKORLTOK .................................................................................................................................... 74

1. A termszetes s a mestersges szelekci kvetkezmnyei ................................................ 75


5/84

vCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

List of Figures1.1. 1. tblzat: A fontosabb nvnyfajok rekord- s tlagtermse (kg ha-1), valamint a biotikus s azabiotikus hatsok okozta termsvesztesg. Bray, E., Bailey-Serres, J., Weretilnyk, E. (2000): Responses to

abiotic stresses. In Biochemistry and Molecular Biology of Plants (eds: B. Buchanan, W. Gruissem and R.L. Jones) p: 1158-1203. ...................................................................................................................... 11.2. 1. bra: A krnyezeti hatsokra adott nvnyi vlaszreakcik .................................................... 22.1. 2.1. bra: Nvnyi tpanyag transzportert kdol gn izollsa lesztben trtn heterolgexpresszival. ..................................................................................................................................... 62.2. 2.2. bra: Afoszft transzporter protein topolgija (Smith et al, 1999 utn) ............................. 82.3. 2.3 bra: Az ion-csatorna protein szerkezete (SF: szelektv filter, GT: kapu (gate), VS: tlts rzkel(voltage sensor) ................................................................................................................................... 92.4. 2.4. bra: A protonhoz kapcsolt ko-transzport modellje az SO42-pldjn................................ 93.1. 3.1. bra: A nitt s az ammnium mozgsa a nvnyben. ....................................................... 123.2. 3.2. bra: A NR aktivitsa levlben s gykrben a NO3- ellts fggvnyben...................... 123.3. 3.1. tblzat: Az NRT1 nitrt transzporter gncsald tagjai ...................................................... 133.4. 3.2. tblzat: Az Arabidopsis NRT2 gncsald expresszijnak szablyozsa ......................... 133.5. 3.3.. bra Az AtAMT1.1 ammnium transzporter sematikus modellje. A D-198-nl tallhataszparagin az NH4+ kts felttelezhet helye ................................................................................ 143.6. 3.4. bra: Az AtAMT1.1 ammnium transzporter visszacsatolsos (feedback) szablyozsa. Aglutamin az AtAMT1.1 expresszijt gtolja, az NH4+ poszt-transzkripcisan szablyoz. ............ 153.7. 3.3. tblzat: A nitrogn asszimilci enzimei, gnjei s elfordulsuk helye .......................... 163.8. 3.5. bra: A GOGAT izoenzimek szerepe a levelekben s a gykerekben. A modell az Arabidopsismutnsok vizsglatnak eredmnyeire pl (Lancient et al., 2002). ................................................ 174.1. 4.1. bra: Scott C. Doney: The Growing Human Footprint on Coastal and Open-OceanBiogeochemistry REVIEW, Science 328, 1512 (2010). A sznes nyilak a kzvetlen, a fekete nyilak akzvetett cenba ramlst, a szrke nyilak a klcsnhatst jellik................................................. 194.2. 4.2. bra: Az energia-ignyes Haber-Bosch eljrssal megkttt nitrognbl ellltott mtrgyahasznosulsa (Galloway s Cowling, 2002.) .................................................................................... 204.3. 4.1. tblzat: A kukorica N-hasznost kpessggel kapcsolatosfiziolgiai jellegeinek QTL-jei (Hirel,

B.Berin, P.Quillere, I.Bourdoncle, W.Attagnant, C.Dellay, C.Gouy, A.Cadiou, S.Retailliau, C.Falque, M.Gallais, A.: 2001. Towards a better understanding of the genetic andphysiological basis for nitrogen use efficiency in maize. Plant Physiol., 125, p.1258-1270.) .......... 214.4. 4.2. tblzat: A kukorica N-hasznost kpessggel kapcsolatos agronmiai jellegeinek QTL-jei(Hirel, B.Berin, P.Quillere, I.Bourdoncle, W.Attagnant, C.Dellay, C.Gouy, A.Cadiou, S.

Retailliau, C.Falque, M.Gallais, A.: 2001. Towards a better understanding of the genetic andphysiological basis for nitrogen use efficiency in maize. Plant Physiol., 125, p.1258-1270.) .......... 214.5. Argonmiai jellegek tlagai s rklhhetsgk (2 vi szntfldi ksrlet eredmnyei)....... 224.6. 4.3. bra: A szemterms s komponensei, valamint a fiziolgiai jellegek QTL-jeinek elhelyezkedse akukorica RFLP genetikai trkpn. Ovlis szimblumokkal jellve: kk: a levl NO3- tartalma, zld: alevl GS aktivitsa, piros: a levl NR aktivitsa. Az agronmiai tulajdonsgok QTL-jeinek helytfggleges vonal szimbolizlja. A kromoszma bal oldaln lv vonalak a j N-elltottsg(N+)nvnyekre, mg a kromoszma jobb oldaln lv vonalak a gyenge N-elltottsg (N-)nvnyekre

vonatkoznak. Az Io szltl szrmaz kedvez alllformt a (+) jel, a kedveztlen alllt a (-) jelszimbolizlja..................................................................................................................................... 245.1. 5.1. bra: A nvnyi szulft transzporterek filogenetikus brzolsa az aminosav sorrend alapjnArabidopsis, Orisa s Brassica fajokban........................................................................................... 265.2. 5.1. bra: A szulft asszimilci lpsei. (APS: adenozin -5- foszfoszulft; PAPS: foszfoadenozin -5- foszfoszulft; CoA: acetil koenzim A; -EC: -glutamil-cisztein; OAS: O-acetilszerin; OAS-TL: O-acetilszerin tiol liz ; SAM: S-adenozil metionin, SMM: S-metil metionin) .................................... 276.1. 1. bra: A plazmamembrnon keresztli Pa transzport modellje. A ketts lipid rtegen keresztli H+(hromszg) grdienst a H+-ATP-z aktivitsa eredmnyezi. A H+/Pa ko-transzportot a Pa transzporter

protein (Pht) segti. (Pa kr) A nyilak a transzport irnyt jellik. ................................................... 316.2. 2. bra: A paradicsom nagy affinits foszft transzporter LePT1 felttelezetttopolgija. (A szmokaz aminosavakat jellik, a lnckezd metionon az 1.). ..................................................................... 316.3. 3. bra: A Pht1 s a Pht2 gncsald elhelyezkedse az Arabidopsis genomban (a lkuszok az 1., 2., 3.

s 5. kromoszmn tallhatak). A kromoszmk hossza megabzisban van feltntetve a fels sklnakmegfelelen. ..................................................................................................................................... 32


6/84

NVNYGENETIKA

viCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

6.4. 4. bra: Az Arabidopsis foszft transzporter proteinek filogenetikai brzolsa. Az aminosavszekvencia hasonlsg alapjn kialaktott alcsaldokat kr zrja krl. (Poirier s Bucher, 2002) . 326.5. 5. bra: Foszft transzporterek promotervel elltott riporter gn (GUS) expresszija Arabidopsisgykerekben. A gykr hossz- s keresztmetszeteken az AtPT1-GUS expresszija lthat gykrcscsban(1, 3) s a gykr differencildott rszeiben (2, 4). Hasonlan az AtPT2-GUS expresszija agykrcscsban (5, 7) s a gykr ms terletein (6, 8) lthat. A gykrcscsban a AtPT1-GUS

kifejezds hinya egyrtelm (1 s 3). Az AtPT2 promoterrel elltott GUS a gykr minden rszbenexpresszldik (5-8). ........................................................................................................................ 326.6. 6. bra: Az AtPT2 promoterrel elltott GUS riporter gn expresszija Pa-hinyos Arabidopsisvirgokban (1) s termsekben (2), hossz- (3, 5) s a keresztmetszetben (4, 6). .............................. 336.7. 7. bra: Foszft trasnzporterek expresszijnak idbeli vltozsa. A: Az AtPT2 promoterrel elltottluciferz gn (LUC) gyors indukcija figyelhet meg Pa-hinyos transzgnikus nvnyeken. B: a Pamegvons utn klnbz idben vett nvnyminta RNS-t 32P jelzett AtPT1, AtPT2 s LUC cDNS-elreagltattk. C: Pa-hinyos nvnyek tptalajba 5 nap utn 1,25 M Pa-t juttatva vizsgltk agnindukci visszafodthatsgt (reverzibilitst), mg ms nvnyeket tovbbra is Pa-mentes tptalajonneveltek s a klnbz idben vett mintkon vizsgltk a riporter gn aktivitst. DR: ismtelt Pa -elltsutni napok, DP: tovbbi Pa-mentes napok. D: a AtPT1, AtPT2 s LUC gnek expresszijt mutat

Northern-blot. A klnbz idben vett nvnyminta RNS-t 32P jelzett cDNS-el hibridizltattk(Karthikeyan et al., 2002). ................................................................................................................ 336.8. 8. bra: A Pa hinyos krnyezetben fejld nvnyek gykr morfolgijnak vltozsa: Pa-al jlelltott (+Pa: 5 Mm), illetve Pa-hinyos (-Pa: 5 M) tptalajon nevelt 10 napos Arabidopsis nvnyekgykere. (Ma et al., 2001)................................................................................................................. 347.1. 7.1. bra: A klium szerepe a sztma zrsejtek mkdsnek szablyozsban ..................... 367.2. 7.2. bra: Az Arabidopsis K+ transzporter szerkezete (S1-S6: a membrnon thalad domnek, S4:feszltsg rzkel domn, P- domn: prus-kpz rgi................................................................ 388.1. 8.1 bra: A Ca2+ ion elfordulsa s mozgsa a sejtben ........................................................... 438.2. 8.2. bra: Arabidopsis erecta Landsberg (Ler) s Arabidopsis Cape Verde Island (cvi) keresztezsblszrmaz 157 rekombinns beltenysztett vonal (RIL) hajtsnak Ca-tartalom elemzse alapjnfelttelezett QTL-ek az Arabidopsis 1-es kromoszmjn ............................................................... 438.3. 1. tblzat. Talajon nevelt Arabidopsis mutnsok levelnek elem sszettele a vad tpushozviszonytva. P0,05; (Lahner et al., 2003)........................................................................................ 449.1. 1. bra ........................................................................................................................................ 4810.1. 10.1. bra: A bza szemtermse, a betakartskori biomassza s a Harves Index, valamint arendelkezsre ll vz virgzsig felhasznlt hnyadnak a kapcsolata (az Y-tengely sklja tetszleges,Passioura, 2002 utn)........................................................................................................................ 5310.2. 5A. bra: Nett CO2 asszimilci (mol m-2s-1) eredmnyeitermszetes fnyben mrve. 5B. bra:A Nyr (-o-) s a Kobomugi (-x-) fajtk nett szndioxid asszimilcija (mol m-2s-1) a fnyintenzits(PAR: mol quantum m-2) s a vzellts (kontroll s stressz) fggvnyben. ............................... 5513.1. 13.1. bra: A V-ATP-z gncsald transzkripcis szablyozsa Arabidopsisban 2-96 rn keresztltart NaCl-stressz, K+-, vagy Ca2+- hiny kezels hatsra. A sznskla az expresszi log2-szeresvltozst mutatja (egymshoz viszonytott = nem abszolt rtkek), n.d.: nem szlelt (not detected). 7113.2. 13.2. bra. A K+ elltottsgra reagl gnek szma. K+-hinyos nvnyek kezelse 10 mM KCl-dal:+K (in -K); K+-hinyos nvnyek kezelse 10 mM NaCl-dal: +Na (in -K); K+-al jl elltott nvnyekkezelse 50 mM KCl-dal: +K (in +K). Tovbbi magyarzat a szvegben. ...................................... 7213.3. 13.3. bra: A klium s az ABA (abszcizinsav) kezelsre reagl gnek szma. K+-hinyos

nvnyek kezelse 10 mM KCl-dal: +K (in -K); K+-hinyos s K+-al jl elltott nvnyek kezelse 50M ABA-val: ABA. Tovbbi magyarzata szvegben. .................................................................. 7214.1. 14.1. tblzat: A termesztett nvnyfajok tpanyagfelvtellel kapcsolatos ismert QTL-jei .... 74


7/84

viiCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

List of Tables1. ..................................................................................................................................................... viii


8/84

viiiCreated by XMLmind XSL-FO Converter.

FedlapNVNYGENETIKASzerz:Dr. Hoffmann BorblaAZ Agrrmrnki MSc szak tananyagfejlesztseTMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0010 projektTable 1.


9/84

1Created by XMLmind XSL-FO Converter.

Chapter 1. AZ ABIOTIKUSSTRESSZTOLERANCIA GENETIKAI

ALAPJAI1.

A nvnyek folyamatosan ki vannak tve a krnyezet vltozsainak. Ezrt az letkpessg egyik legfontosabbfelttele a vltozsokhoz val alkalmazkods kpessge. Ez csak akkor lehetsges, ha a nvny rzkeli akrnyezetben bekvetkez vltozsokat, elg gyorsan s az ppen szksges mrtkben reagl, valamint ha ezt akpessgt rkti is.A nvny egyidben kt krnyezettel rintkezik. A hajtsnak olyan tnyezkhz kell alkalmazkodnia, mint afny minsge s intenzitsa, a fotoperidus, a CO2 koncentrci, a relatv pratartalom, a hmrsklet, algszennyezettsg, valamint a biotikus hatsok, pl. patognek. A gykr a talajban a tpanyag- s s

koncentrci, a vz felvehetsge, O2 koncentrci, a talaj tmdttsge, nehzfmek s ms toxikus elemek,hmrsklet, patognek s szimbiotikus szervezetek hatsaival szembesl. A hajts informlja a gykeret algkri viszonyokrl, mg a gykr a talajllapotokrl kld jelzst a hajtsnak. Az informci kzvettseklnbz molekulk ramlsval valsul meg, mint a hormonok, maguk az svnyi anyagok s a vz, vagy afotoszintzis termkei. Amikor a kls felttelek nem kompatibilisek a nvny fejlettsgi llapotval, anvnynek megvan a kpessge arra, hogy fejldsi programjt mdostsa.A nvnyek reakcija az egymssal sszefgg biolgiai folyamatok sorozata, melyek egy bonyolult hlzatot ,rendszert alkotnak. A krnyezeti hatsokra adott reakcirt felels mechanizmusok feltrsa ezrt igen

bonyolult feladat, csak a legutbbi idk technikai fejldse hozott tt eredmnyt. A kutats s az ismeretektudomnyterletekre daraboldsa neheztette az sszefggsek feltrst. Napjainkban a genomika s a

proteomika fejldse a gnek s termkeik szzainakezreinek egyidej vizsglatt teszik lehetv, mely arendszer szemllet biolgia kifejldshez vezetett. E trgykrrel foglalkoz tudomnyos publikcik az

utbbi vekben risi szmban jelennek meg.

A termesztett nvnyfajtk optimlis krnyezetben adott rekord termshez kpest mely lnyegben apotencilis termkpessgnekmegfelel rtk egy adott termhelyen elrt eredmny a realizlt terms

jelentsen elmaradhat: a fejlett mezgazdasg orszgokban ez ltalban 50% krl mozog, a vilgtlag pedigmg ennl is sokkal alacsonyabb rtket ad (1. tblzat). A termskiesst elssorban az abiotikus hatsokokozzk, melyek kztt a nvny rendelkezsre ll tpanyagok, valamint a felvehet vz mennyisgemeghatroz jelentsg. A kedveztlen krnyezeti hatsok okozta termskiesst cskkenthetjk a krnyezetmdostsval - ez fknt kmiai inputokat jelent, melyek igen kltsgesek, de csak rvid idre jelentenekmegoldst, ugyanakkor a krnyezet terhelst okozzk. A vesztesgek cskkentsnek msik tja a kedveztlenhatsokhoz adaptldott fajtk nemestse, melyek az adott krnyezetben gazdasgosan termeszthetk.Potencilis termkpessg: a genotpus (fajta, hibrid, stb.) optimlis krnyezeti felttelek esetn adott

termse, azaz nincs krnyezeti korltoz tnyez.

Figure 1.1. 1. tblzat: A fontosabb nvnyfajok rekord- s tlagtermse (kg ha-1),valamint a biotikus s az abiotikus hatsok okozta termsvesztesg. Bray, E., Bailey-Serres, J., Weretilnyk, E. (2000): Responses to abiotic stresses. In Biochemistry and

Molecular Biology of Plants (eds: B. Buchanan, W. Gruissem and R. L. Jones) p: 1158-

1203.


10/84

AZ ABIOTIKUSSTRESSZTOLERANCIA

GENETIKAI ALAPJAI


Genetikai szempontbl a stressztrs fenotpus, a krnyezeti hatsok ltal induklt gnexpresszi, azazvlaszreakci, melynek megjelense fgg a genotpustl, a krnyezeti hatsoktl s a genotpus x krnyezetklcsnhatstl (1. bra).Stressztolerancia a termkpessg, illetve a terms minsgnek megrzst jelenti a stresszhatsoknakkitett krnyezetben.A stressz fogalmnak bevezetse Selye Jnos (1907, Komrom 1982, Montreal) nevhez fzdik, akiendokrinolgusknt elssorban humn vonatkozsban hasznlta azt. Az 1936-ban kzlt Nature-cikkmegjelense utn azonban a fogalom hamarosan szlesebb rtelmezst nyert. A stressz sz a bizonyos hatsraadott vlasz-reakcit jelenti, mely zavarja a normlis fiziolgiai egyenslyt. A kivlt ok megnevezsre Selye astresszor megnevezst hasznlja. Stresszor: minden hats, ill. tnyez, amely az optimlistl eltr nvekedst,vagy fejldst okoz. Stresszreakci: bizonyos hatsra (stresszor) adott reakci, mely zavarja a normlisfiziolgiai egyenslyt. Stresszreakci kvetkezmnyei: a metabolikus folyamatok megvltozsa (energiaignyesfolyamat, mely hatssal van a terms mennyisgre s minsgre. Ltezik j stressz is (pl.: jarovizci),melyre Selye az eustresszmegnevezst hasznlja.Figure 1.2. 1. bra: A krnyezeti hatsokra adott nvnyi vlaszreakcik

A stresszreakci idbeli lefolysa:Stresszhats megjelense tmeneti vltozst okoz a nvny fiziolgiai llapotban, mely lehet biokmiai(enzim-aktivits) vagy gnkifejezdsi (transzkripcis, vagy poszttranszkripcis), illetve genom trendezds,vagy ezek kombincija.Stresszhats folytatdsa esetn a nvny alkalmazkodik a stresszorhoz, olyan megvltozott fiziolgiaillapotba kerl, mely jobban megfelel az j krnyezeti feltteleknek. Ez a vltozs lehet egy mr meglv


11/84


GENETIKAI ALAPJAI


fejldsi programra val tlls eredmnye, vagy egy j program kiformlsnak eredmnye, mely utbbilehet pl. DNS trendezds miatti mdosuls kvetkezmnye. Ha a nvny nem kpes alkalmazkodni astresszhez, akkor nvekedse s fejldse nem kielgt, ez szlssges esetben a nvny pusztulshoz isvezethet.Amennyiben ismt stresszhats eltti krnyezeti llapot tr vissza, s a bekvetkezett mdosulsok

reverzibilisek, a nvny visszatr a stressz eltti fiziolgiai llapotba. Ha irreverzibilis vltozs kvetkezett bes ez a genom organizcijt is rinti, a vltozs rkthet, a genetikai variabilits nvekedst eredmnyezi.A mezgazdasgi termels az urbanizci, a talaj erzi, a klmavltozs s egyb hatsok miatt egyre nagyobbmrtkben folyik marginlis, stresszhatsnak ersen kitett terleteken. A termhelyek sokflesgnekszksgszer kvetkezmnye a krnyezeti stresszhatsok jelenlte a nvnyek napi s szezonlisciklusban. A nvnyek szleskr kpessggel rendelkeznek e stresszhatsok tllsre, mikzbenversenyeznik kell sajt fajtrsaikkal s msokkal az alapvet erforrsokrt. Ezek a hatsok ers szelekcisnyomst gyakorolnak, mely molekulris, biokmiai s fiziolgiai adaptcihoz vezetett, ami lehetv teszitllsket a kedveztlen krnyezeti felttelek kztt. Az adaptci alapja a genetikai vltozatossg . Ez avltozatossg, mint forrs a nvnynemest rendelkezsre ll.A nvnyek nvekedst, fejldst krosan befolysol krnyezeti hatsok kzl leggyakrabban a vzhiny, ahmrsklet anomlik (tl alacsony, illetve magas hmrsklet), a talaj toxikus startalma (szikes, illetvenehzfmeket, toxikus elemeket tartalmaz talajok) fordulnak el.2. Tlllsg s fagytrsTlllsg komplex jelleg, a nvnyek azon tulajdonsgt rtjk alatta, amely kpess teszi a tlviszontagsgainak elviselsre: kpes a hideget, az oxignhinyt, a felfagyst s az ilyen krlmnyek kztt

jelentkez betegsgeket krosods nlkl elviselni. A tlllsg egyik legfontosabb eleme a fagyllsg (azazfagytrs), amely alkalmass teszi a nvnyeket a fagypont alatti hmrsklet tllsre.A nvnyfajtk fagytrst tbbfle mdszerrel vizsglhatjuk, melyek hatkonysgban nagy klnbsgekvannak. Termszetes krlmnyek kztt a fagynak gyakrabban kitett terleten belltott szntfldi ksrletbenvizsglhatjuk a fagytrst. A hideghats mrtke s idtartama azonban igen bizonytalan, venknt vltoz s

nem szablyozhat. A fitotronban vgzett ksrletben ezzel szemben pontosan bellthatjuk a hmrskletet s afagyhats idtartamt. Ilyen krlmnyek kztt a genotpusok fagytrse pontosan meghatrozhat.Klnbsget kell azonban tennnk a hidegrzkenysg s a fagytrs kztt. Elbbi esetben trpusi szrmazsnvnyekrl van sz, melyek a 010C-os hmrskletet kpesek csupn tllni, a mrskelt gvi nvnyekviszont a fagypont alatti hmrskletet is tolerljk.A nvnyeknek nincs h szablyoz mechanizmusuk, hmrskletk megegyezik a krnyezetkvel. Azalacsony hmrsklet korltozhatja a gazdasgilag fontos nvnyek produktivitst, st hatrt szab az egyesnvnyfajok elterjedsnek is. A stressz-adaptci, gy a hidegtrs mrtke fgg a nvny fejlettsgi- sfiziolgiai llapottl is. Az alacsony hmrsklet azonban nem minden esetben kedveztlen a nvny szmra;az egyedfejds bizonyos szakaszban fiziolgiai szksglet is lehet (vernalizci).Az alacsony hmrsklet okozta srlsek elsdleges helyei nvnyekben a membrnok. A hmrskletcskkensvel a membrn struktrja megvltozik, molekulris trendezdsek trtnnek a lipidrgiban, amikihat a membrnhoz kttt fehrjk struktrjra s funkcijra is, ez a membrnokhoz kapcsold alapvetfunkcik srlshez vezethet. A sejten bell kpzdtt jgkristlyok pedig irreverzbilis membrnkrosodstokozhatnak. A membrnok integritsnak fenntartsa ezrt alapvet fontossg a sejt szmra.A fagytrs szempontjbl a fagypont alatti hmrsklet kvetkeztben kialakul jg az egyik legveszlyesebbtnyez. Ha a lehls gyors, a jg a sejten bell kpzdik, ehhez azonban egy olyan rszecsknek (spra,

baktrium stb.) kell a sejtbe jutnia, ami krl, mint kristlyosodsi gc krl, a jgkristly kialakulhat. Az ilyen,sejten belli jgkpzds a sejt pusztulshoz vezet. Amint a hmrsklet 0 C al sllyed, megindul a sejtenkvli (extracellulris) jgkpzds. A jg kpzdse miatt ozmotikus potencilklnbsg alakul ki a sejtenkvli s a sejten belli vz kztt. E potencilklnbsg miatt a vz a sejtbl kiramlik az intercellulris trbe,ami a sejt dehidratcijhoz vezet. Teht a fagy hatsra a sejtekben vzhiny alakul ki. A nvnyek a fagyhats

okozta vzvesztssel szemben - a szrazsgtrsnl trgyaland - ozmoregulcis folyamatokkal vdekeznek.


12/84


GENETIKAI ALAPJAI


A nvnyeknek a stressz, gy az alacsony hmrskleti stressz kivdshez is szksgk van egy hosszabb ideigtart, alacsony hmrsklet nvekedsi idszakra, az edzdsre. Az edzdsa struktrk s funkcik olyannem rkletes vltozsa, amely a nvnyt rt krokat cskkenti. Termszetes krlmnyek kztt haznkban azedzds sszel trtnik, a rvidl megvilgts s a hmrsklet fokozatos cskkense sorn. Mestersgeskrlmnyek kztt, nvnynevel kamrkban (fitotron) lehetsg van e folyamat modellezsre, a hidegedzskivitelezsre.A fagy- s tlllsg rkldst mr a XX. szzad elejn elkezdtk tanulmnyozni. Megllaptottk, hogy ezekkomplex tulajdonsgok, melyeket polignes, additv-dominns rendszer szablyoz. Az szi bza monoszmss szubsztitcis vonalainak analzisvel a fagyllsg gnjeinek kromoszomlis lokalizcijt ismeghatroztk. A bza 21 kromoszmaprjbl legalbb 10 pr vesz rszt a fagyllsg genetikaiszablyozsban. A legersebb hats gnek az ts homeolg csoport (5A, 5B s 5D) kromoszmin tallhatk.A gnaktivits megvltozsa hideg hatsraAlacsony hmrsklet hatsra megvltozik az adaptciban szerepet jtsz gnek aktivitsa, j mRNS -ek sfehrjk jelennek meg a sejtben. A fehrjeszintzis egszt tekintve azonban nem kvetkezik be olyan drmaivltozs a hideg hatsra, mint amilyent tapasztalhatunk pl. a hsokk esetn. Sok hideginduklt gnnek ( corgnek: Cold Regulated), illetve a rluk trd fehrjnek a funkcijt mg nem ismerjk. J nhny ilyenfehrjrl megllaptottk azonban, hogy a LEA (Late Embryogenesis Abundant) proteinek homolgjai. A LEAfehrjk az embrigenezis ksi fzisban szintetizldnak a mag beszradsakor, valamint a vegetatvszvetekben is kpzdnek szrazsg esetn, illetve ABS-kezels, vagy nagy s koncentrci hatsra. Sokflefehrje tartozik ugyan e csoportba, de kzs jellemzjk, hogy szokatlanul hidrofilek s hstabilak. A halakhozs a rovarokhoz hasonlan a nvnyekben is termeldnek AFP (Anti Freeze Protein) fehrjk a hideg-stresszsorn. Az AFP fehrjk gtoljk a jgkristly nvekedst s befolysoljk a nvekv jgkristly alakjt is. A fagyllsg szablyozsban rszt vev gnek szerept s azok aktivitst Arabidopsisbantanulmnyoztk alegrszletesebben. A ldfben a CORgnek ngy gncsaldba szervezdnek, melyek minden tagja kt gnblll, e gnek tandem elrendezdsben tallhatk a kromoszmn. A kt gn kzl legalbb az egyik hideg - vagyms olyan stresszel induklhat, amely a sejt vzvesztsvel jr. Az egyik legjobban jellemzett gn ezek kzl aCOR15a, mely egy 15 kDa-os proteint kdol. E fehrje a kloroplasztiszban halmozdik fel. A gnfagyllsgban betlttt szerept igazolja, hogy a nem edzett transzgenikus nvnyekben a gn konstitutvexpresszija megemelte a fagyllsgot. A ksrletek azonban arra is rmutattak, hogy egyetlen COR gnmkdsnek a megvltozsa nem elgsges egy olyan komplex tulajdonsg megvltoztatsra, mint afagyllsg. Ugyanis az intakt nvny szintjn nem lehetett a fagyllsg szintjnek emelkedst kimutatni aCOR15agn tlvezrlsvel. A kutatsi eredmnyek arra is felhvtk a figyelmet, hogy egy durva beavatkozs agnmkds finoman szablyozott rendszerbe jelents problmkat vethet fel. CBF gneket konstitutv

promterrel (CaMV 35S) tltermeltetve sikerlt ugyan az Arabidopsis-nvnyek szrazsg- sfagytolerancijtnvelni, de ezek a transzformnsok abnormlis nvekedsek voltak, ksbb virgoztak, s jval kevesebbmagot rleltek, mint a nem transzformns nvnyek.A fagytrssel kapcsolatba hozhat jabb gnek azonostsa s funkcianalzise remlhetleg elvezet afagyllsg htterben ll molekulris folyamatok megismershez, mely a genetikailag mdostott fagytrfajtk ellltst eredmnyezheti.Reaktv oxigngykkReaktv oxigngykk a sejt normlis mkdse sorn fknt a fotoszintzis folyamatban - is keletkeznek.Abiotikus stressz hatsra azonban e molekulk mennyisge jelentsen megn. Kiemelked szerepe aszuperoxid- s hidroxilgykknek, valamint a hidrogn-peroxidnak van. Ezek a rendkvl reaktv anyagokkrostjk a membrnokat, a fehrjket s a DNS-t is, ezrt kzmbstsk, eltvoltsuk a sejtek szmranlklzhetetlen. Ebben az antioxidns vegyleteknek s enzimeknek - pl. szuperoxid-diszmutz, glutation-reduktz, azkorbt-peroxidz - van kulcsszerepk. Stressz hatsra e vegyletek, enzimek mennyisge asejtekben megn.SzignltranszdukciA stresszor hatst, mint kls jelet, a sejt receptorai fogjk fel. A sejtbe jutott informci egykaszkdrendszeren keresztl jut el a sejtmagba, ahol a vlaszreakciban rintett specifikus gnek aktivldnak,

vagy represszldnak. A jelfogk lehetnek receptorszer kinzok. E molekulk extracellulris domnje lehet azrzkel, az intracellulris kinzaktivits domn pedig a jeltovbbt. Valszn, hogy a Ca2+ csatorna is


13/84


14/84


Chapter 2. A NVNYI TPANYAGTRANSZPORTEREKA tpanyagfelvtel kinetikjt Epstein s kollgi (1953) ttr munkjnak ksznheten jl ismerjk. Afolyamat molekulris alapjait, azokat a membrn fehrjket azonban, amelyek segtsgvel a tpanyag bejut asejtbe, csak a legutbbi idkben ismertk meg, mely izgalmas bepillantst enged a nvnyi tpllkozsszablyozsnak folyamatba.A nvnyben tpionoknak szmos membrnon kell thaladniuk, amg a talajoldatbl a gykrsejtekbe, aszimplasztbl a xilembe, majd a levelekbe sa trol szervekbe, mint pldul a gumba, a szemtermsbe, vagyppen a gymlcsbe eljutnak. Azt is figyelembe kell venni, hogy a nvnynek a sejt citoplazmjt hatrol

plazma membrnon kvl msfajta membrnjai is vannak, mint pl. a vakulumot hatrol tonoplaszt, amelyenkeresztl a troland tpanyagoknak kell tjutniuk.A tpionoknak s egyb szubsztrtoknak a klnbz sejtekbe, illetve sejtorganellumokba val bejutshoz,mmozgshoz segtkre, u.n. transzmembrn-proteinekre van szksgk.Azokat a membrn-proteinket, amelyek a szubsztrtok, gy a tpionok membrnon keresztli mozgstsegtik s szablyozzk, transzporter protineknek, vagy rviden transzpoprtereknek nevezzk. Jelen ismeretnk szerint a nvnyi genom kb. 5%-a transzporter proteint kdol.1. Nvnyi ion-transzporterek izollsaA transzport proteinek elvesztik harmadlagos szerkezetket, ha a membrn lipidtl levlasztjuk. Ezmegnehezti ezeknek a polipeptideknek a tanulmnyozst. Ezrt a specilis transzporterek azonostsra,aminosav sorrendjk, szerkezetk s funkcijuk megllaptsra indirekt mdszert dolgoztak ki.Az leszt fontos szerepet jtszott a nvnyi transzport proteinek gnjeinek izollsban. Az leszt is

eukarita, ezrt lehetsges az eukarita szervezetekbl szrmaz gnek funkcionlis expresszltatsa lesztben.Ennek az eljrsnak az az elnye, hogy nem ignyli sem a gn szekvencijnak, sem a proteinnek az elzetesismerett. Ezrt klnsen alkalmas egy gncsald tagjainak elzetes azonostsra. E mdszeralkalmazhatsgnak felttele, hogy rendelkezznk olyan leszt mutnssal, amely a vizsglt elem felvtelrekptelen. Ilyen mutnsok a termszetben is elfordulnak, vagy klnbz mutagnekkel elllthatak.A nvnyi ion-transzporterek izollsra a legjobb a mRNS-rl szintetizlt cDNS, amely mRNS a krdses iontekintetben nagy transzport kapacitssal rendelkez szvetbl szrmazik. A gn ilyen mdszerrel trtnklnozhatsga attl fgg, hogy az tvitt gn mennyire kpes funkcionlisan helyettesteni a haploid lesztmutcijt, azaz helyrelltani annak metabolikus folyamatt s gy a mutns nvekedst. A nvnyi tpanyagtranszporter gnjnek a vizsglt elem felvtelre kptelen leszt mutns segtsgvel trtn izollst a 2.1.bra szemllteti.Figure 2.1. 2.1. bra: Nvnyi tpanyag transzportert kdol gn izollsa lesztbentrtn heterolg expresszival.


15/84

A NVNYI TPANYAGTRANSZPORTEREK


A nvnyi mRNS-rl reverztranszkripcival cDNS-t szintetizlunk s beptjk egy vektorba, amely lesztbens E. coliban is kpes replikldni. Ez a vektor (plazmid) marker gneket is tartalmaz, mellyel a plazmidottartalmaz sejtek azonosthatak. Ezt a plazmidot mutns leszt sejtbe juttatjuk, mely auxotrof ( -URA), arra agnre mutns, amely a vizsglt tpelemnek a transzporter proteinjt kdolja a vad lesztben (-NT). GAL1: ersleszt promoter. A transzformlt lesztt szelektv tptalajon (-URA) tenysztik, ami tartalmazza a krdsestpelemet s aktivlja a GAL1 promotert. Ilyen krlmnyek kztt csak azok az leszt sejteknvekednek,

amelyek funkcionlis transzportert (+NT) tartalmaz cDNS-sel transzformltak, gy kpesek a tpelemfelvtelre (Hawwkesford s Smith, 1997 alapjn).Az ilyen mdon szintetizlt cDNS a funkcionlis DNS teljes hossznak azonostst eredmnyezi . Atranszporter gnjnek lesztben trtn expresszltatsa lehetv teszi a transzporter specifitsainak s a klstnyezk, pl. az oldat pH-jnak a transzporterre gyakorolt hatsnak tanulmnyozst. Tovbb azonosthatkaz enzim meghatroz alegysgei s tanulmnyozhat a struktra funkci kapcsolata. Ezt gy tehetjk meg,hogy megvltoztatunk nhny kdot a cDNS-en, s ezt a mdostott szekvencit expresszltatjuk az lesztben,s vizsgljuk a vltoztats ion-transzportra gyakorolt hatst. Lthat, hogy a nvnyi transzporterek heterolgexpresszija mutns lesztben a transzportert kdol gn azonostsn s klnozsn tl is igen rtkes eljrs.Azonban a fehrjk kztti interakci lehetsgvel is szmolni kell e mdszer alkalmazsakor.2. A nvnyi ion-transzporterek gnjeinek izollsahibridizcis technikvalA nvnyi ion-transzporterek gnjeinek izollsra egy msik technikt is kidolgoztak, a bzisokkomplementaritsn alapul hibridizcis azonostst. Egyszlas DNS prbkat alkalmaznak, melyek a krdsesgn szekvencijval komplementerek. A mdszer htrnya, hogy a prba DNS eredmnyes megtervezshez avizsglt gn valszn bzissorrendjnek elzetes ismerete szksges. Ezek az informcik azonban gyorsultemben gylnek. Ha mr az els ion-transzporter DNS szekvencijt meghatroztuk, azonosthatjuk azevolci sorn vltozatlanul megrztt szekvencikat, s annak alapjn a hasonl gnek izollshoz (azonos sms nvnyfaj esetn is) prbkat tervezhetnk. A konzervatv rgihoz tervezett kt rvid primerrel, a

polimerz lncreakcit alkalmazva is elllthatunk prbkat.A nemezetkzi adatbzisokban tallhat szekvencia adatok ma mr sok tpanyag transzporter azonostshoz

biztostjk a szksges informcit. Klnsen az Arabidopsis (pl:http://www.aspb.org/publications/arabidopsis) s a rizs knyvtrakbl szrmaz EST-k rtkes informciforrsok. Ezen EST-k elrhetsge vezetett a gykr foszft- s szulft-transzporterek gnjeinek klnozshoz.


16/84



A nem nvnyi organizmusokbl szrmaz szekvencia informcik szintn hasznosak a nvnyi transzporterekfelfedezsben. Ez azrt lehetsges, mert ezen szekvencik tbbsge nagyon konzervatv, alig vltozott azevolci sorn, gy nagyfok hasonlsg figyelhet meg az lvilg klnbz osztlyaiban, fajaiban. Ezek azadatbzisok meghatroz szerepet jtszanak a tpanyag-transzporttal kapcsolatos gnek azonostsban sizollsban. A nagy nemzetkzi genom programok eredmnyeknt az elrhet szekvencia informci atranszport proteinek gnjeinek izollst a legtbb nvnyfaj esetn egyszer rutinmunkv teszi. 3. A nvnyi tpanyag transzporterek kzsmolekulris jellemzi

A nvnyi tpanyag transzporterek topolgijaA nvnyi ion-transzporterek viszonylag nagy polipeptidek, mretk 53 s 75 kDa kztti, ami megkzeltleg500 660 aminosav hosszsg polipeptidnek felel meg. Bels membrn proteinek lvn, mindegyik szmos,ersen hidrofb rgival rendelkezik, amelyek thaladnak a membrnon. Ezeket a rgikat egyes forrsokMSD-nek (membrane-spanning domains), az utbbi idben inkbb TMD-nek (transmembrane domains)nevezik. Az egyes TMD-k ltalban 725 aminosavbl llnak, heliklis szerkezetet vesznek fel, amely thalad amembrnon s mindkt oldalon sapkval van elltva. A TMD -ket intra- s extracellulrisan is hidrofil hurkok

kapcsoljk ssze. Az eddig izollt nvnyi tpanyag transzporterek vizsglata alapjn jellemznek mondhat,hogy 12 db TMD-bl plnek fel, br 6 14 alegysg is lehetsges. A transzporter proteinek N sC terminljais hidrofil termszet s a membrn azonos oldaln helyezkedik el (2.2. bra). Ez ltalban a bels oldal, ahol anylvnyok a transzport proteinnek a sejt citoszkletonjhoz kapcsoldst teszik lehetv. A TMD-kextracellulris hidrofil nylvnyt is ltre hozhatnak, mely megteremti annak a lehetsgt, hogy ez a vgzds a

protein aktivcijban szerepet jtsz kls szignlok receptoraknt mkdjn.Figure 2.2. 2.2. bra: A foszft transzporter protein topolgija (Smith et al, 1999 utn)

A 12 TMD-bl ll ion-transzporter modell valsznsgt megersti a ms eukarita szervezetekben tallthasonl molekulk alaktani hasonlsga. Sok ilyen transzportert tanulmnyoztak, melyek a transzporter


17/84


18/84



A protonhoz kapcsolt ko-transzport s a nvnyi ion-transzporter proteinek felvzolt topolgija a funkcihozmegfelel molekulris modellt sugall. Az MSD-k hrom dimenzis alakja apcafnkra emlkeztet (lsd:akvaporin bra), amely prusknt mkdik s rajta keresztl az oldat a ko -transzportlt protonnal egytt amembrn egyik oldalrl a msikra juthat. Ezt a folyamatot a membrnon keresztli elektrokmiai grdiens ltjael energival, melyet a H+-ATP-z, a proton pumpa tart fenn.5. A transzporterek aktivitsnak szablyozsaA membrnon keresztli ion transzport mennyisgt a membrnban tallhat transzporterek szma s aktivtsaszabja meg. A transzporterek szmt vgs soron a kdol gn transzkripcis aktivitsa, valamint a mRNS s atranszporter protein lettartama szabja meg.A nvnyi transzporterek szablyozsnak tanulmnyozsa arra enged kvetkeztetni, hogy a transzporterek amembrnban rvid letek. A protein-szintzis gtlkkal vgzett ksrletek eredmnyei szerint pldul a HVST1SO42- transzporter protein lettartama rpban kb. 2,5 ra s a mRNS felezsi ideje kevesebb, mint 2 ra. Ez arvid lettartam lehetv teszi a transzport temnek gyors alkalmazkodst kzvetlen transzkripcis

szablyozssal. Tpanyag transzportereket kdol gnek magas szint expresszija lehetv teszi, hogy anvny gyorsan nvelje a transzporterek szmt a plazma membrnban, ha szksges.A tpanyag transzport temnek rvid idej, finom szablyozsa valsznleg a transzporter proteinaktivitsnak mdostsval trtnik. Ismert, hogy sok transzporternek vannak foszforillhat helyei, melyekfoszforillsa, illetve defoszforillsa mdostja a protein aktivitst. A ksrleti eredmnyek alapjnfelttelezhet, hogy a proteinek kztti interakcik is fontos szerepet jtszhatnak a transzporterek aktivitsnakszablyozsban.Ahogy a megismert s azonostott tpanyag transzporterek szma n s az jabbak azonostsa a nemzetkzigenom programoknak ksznheten egyre knnyebb s gyorsabb, a figyelem mindinkbb a gnek mkdsnekszablyozsra tereldik. A nvny normlis nvekedshez s fejldshez a sejtek kmiai homeosztzisnakfenntartsa szksges, amely csak a gnek mkdsnek koordinlt szablyozsval lehetsges.A mezgazdasgban fontos nvnyfajoktbbsgnl a transzformcis technikk rendelkezsre llnak, melyidegen gnek, tulajdonsgok bevitelt teszi lehetv a nvnybe. Ez akkor lehet fontos, ha az adott fajbanrendelkezsre ll genetikai variabilitsa nem elgsges a nemestsi cl elrshez. A tpanyag hasznosts

javtsnak lehetsgt mr vizsgljk transzgn nvnyeken, melyekben tlmkdtetik a nagyhats tpanyagtranszporterek gnjeit. A tpanyagok nvnyen belli transzportjban szerepet jtsz proteinek expresszijnakmdostsval a felvett tpanyag hatkonyabb hasznostsra is van elvi lehetsg. Tovbb a terms minsges tpelem sszettele is javthat bizonyos elemek felhalmozdsnak fokozsval, illetve gtlsval, amennyiben pl. a szemteltdsben szerepet jtsz transzporterek expresszijt mdostjuk.


19/84


Chapter 3. A NVNYEK NITROGNTPLLKOZSNAK GENETIKAI

ALAPJAIAz elmlt vtizedekben a N-trgyzs a termsnvels hatkony eszkze volt, klnsen a gabonaflkesetben. Napjainkra azonban vilgoss vlt, hogy a N-trgya alkalmazst optimalizlni kell, hogy elkerljk akrnyezet nitrt szennyezst s kltsget takartsunk meg. Ezrt kiemelt jelentsg olyan fajtk nemestse,melyek hatkonyabban veszik fel a talajbl a N-t s hasznostjk azt az anyagcsere folyamatokban. A fokozott

N-hasznost kpessg fajtk eredmnyes szelekcijhoz azonban nem csak a nitrognnek a nvnyben jtszottszerept, hanem a N-anyagcsere szablyozsnak folyamatt is ismernnk kell.A nvnyek elssorban nitrt (NO3-) s ammnium (NH4+) formban veszik fel a nitrognt (N), de kpesek aszerves nitrognforrsok (aminosavak, amidok, urea) felvtelre s hasznostsra is. Nhny nvnycsaldhoztartoz faj a velk szimbizisban l baktriumoknak ksznheten a molekulris nitrognt (N2) is hasznostja.A nvnyben a nitrt a xilm oldatban mozog s viszonylag flom-immobil. Ezzel szemben az aminosavakknnyen mozognak a gykr s a hajts kztt mind a xilmen, mind flomen keresztl. Az ammonium is axilm oldatban tallhat, de csak alacsony koncentrciban.A levelek sejtjeinek vakulumban a NO3- akkumulcija magas koncentrcit (40-70 mM ) rhet el, melyfontos N-tartalk a nvny szmra, valamint szerepet jtszik a levl ozmotikus nyomsa, ezen keresztl aturgor kialaktsban. A nitrt ezen tlmenen is befolysolja a nvnyek vzllapott, elsegti a vz gykrblhajtsba trtn transzportjt. Ezt a hatst valsznleg az akvaporin gn expresszijnak szablyozsval vltjaki (Wang et al., 2001). A NO3- a jeltvitelben is fontos tnyez, pl. a N s C anyagcsere gnjeinekindukcijban.A NO3- a jeltvitelben is fontos tnyez, pl. a N s C anyagcsere gnjeinek indukcijban. A nvny kedvezfejldshez szksges nitrogn mennyisge fajonknt jelentsen vltozik. Szmos nem termesztett nvnyfaj

szpen fejldik a gyenge N-elltottsg talajokon, mg a termesztett fajok nagy termkpessg fajti j N-elltst ignyelnek. A N-ignyben mutatkoz fajok kztti klnbsgek genetikai httere mg nem ismert, brnhny quantitatv genetikai megkzelts magyarzatot adhat a jelensgre.A nvnyek N-ignye az egyedfejldse sorn is jelentsen vltozik. A vegetatv fzisra a magas N-igny a

jellemz, mely a reproduktv fzis alatt cskken, mert a korbban felhalmozott nitrogn remobilizcijval anvnyek ki tudjk elgteni a szksgleteiket.A nvnyek N-szksgletnek idbeli vltozsrl szerzett ismeretek a nvny ignyhez igazod, okszer N -trgyzsi gyakorlat kialakulst eredmnyeztk, mely a N-mtrgya mennyisgnek cskkentst is lehetvtette. A nvny N-asszimilcijnak jobb megrtse pedig a nvny N-llapotnak pontosabb mrst tettelehetv. Mindezek alapjn lehetv vlt a nvny N-ignybl kiindul N-trgyzs. A kijuttatott N-mtrgyamennyisgnek cskkentse nemcsak kltsgtakarkos termesztst tesz lehetv, hanem egy ttal

krnyezetkml is, hiszen cskken a kimosd NO3- mennyisge, gy a termszetes vzek szennyezse is.

A nvnyek optimlis N-tartalma a termeszts cljtl fggen jelentsen vltozhat. A bza esetben pldul astipari minsget javtja, mg az rpa esetben a sripari minsget rontja a bsges N-ellts. A nvnyek N-tartalmnak egy msik fontos aspektusa a zld, friss fogyasztsra kerl nvnyi rszek NO3- tartalma, melykrdsben a termesztk s a fogyasztk rdeke ellenttes lehet.A fentiek alapjn egyrtelm, hogy a nvnyek N-tpllkozsnak megismerse mind a mezgazdasgi termelsfenntarthatsga, mind a termk mennyisge s minsge, valamint lelmiszerbiztonsgi krdsek miatt is nagy

jelentsg. A genetikai, genomikai kutatsok e krdskrn bell a N felvtelnek s transzportjnak, a Nasszimilci folyamatnak megrtst, e folyamatokban kzremkd enzimek, illetve gnek szerepnekmegismerst, vgs soron jobb N-hasznosts fajtk nemestst teszik lehetv.

1. A nitrt s az ammnium felvtele s transzportja


20/84

A NVNYEK NITROGNTPLLKOZSNAKGENETIKAI ALAPJAI


A szervetlen nitrogn mind anion (NO3- ) mind kation (NH4+ ) formban rendelkezsre ll a legtbb talajban,relatv koncentrcijuk azonban jelentsen vltozhat. Mrskelt ghajlaton, j szerkezet talajokban az NH4+koncentrcija a gyors nitrifikci miatt igen alacsony. Savany, esetleg vzzel bortott terleteken azonban a Nfknt NH4+ formban tallhat. A nitrtot s ammniumot egyarnt szolgltat talajokbl a nvnyekelssorban a NH4+ -ot veszik fel. Ennek oka, hogy az ammnium, mint a N reduklt formja, az energiaignyesredukcis lpsek nlkl, gyorsan beplhet az aminosavakba. Az aerob talajokban azonban - klnsen a

mrskelt klmn - a szerves N mineralizcija miatt a N fknt NO3 - formban tallhat meg. Ezrt anvnyek ltalban jl alkalmazkodnak a vltoz felttelekhez, mindkt iont kpesek felvenni. Az ionokfelvtelnek spcifitsa s affinitsa transzkripcis s poszt-transzkripcis szinten szablyozott.Figure 3.1. 3.1. bra: A nitt s az ammnium mozgsa a nvnyben.

A N felvtelt a nvny N-ignye szablyozza s a krnyezet N szolgltat kpessge befolysolja. Agykrsejtekbl a NO3- s az NH4+ klnbz clpontok fel transzlokldhat. A NO3- kerlhet avakulumba, mint tartalk N forrs s ozmotikum. Nitritt (NO2-) is redukldhat a citoplazmban, vagy agykrsejtekbl kikerlve a sejtkztti oldatba juthat, vagy a xilm nyalbokba kerl, melyen keresztl a fldfeletti szervekbe jut. A fenti mozgsokhoz a nitrtnak klnbz membrnokon kell thaladnia. A

membrnokon keresztli mozgs aktv, energiaignyes folyamat. Az NH4+ nvnybeli megoszlsa szintnsszetett jelensg. Az NH4+ rszben az NO3- redukcijbl, de nagyobb rszben foto-respircibl, a proteineklebomlsbl, vag transzamincis folyamatokbl szrmazik. A gykrben az NH4+ ltalban azonnalasszimilldik, de megfigyeltek a hajts irnyba trtn transzlokcit is. A talajbl a nvnybe, illetve a nvnyen belli N-mozgs genetikai alapjainak vizsglata csak az 1990-esvekben kezddtt. A nvnyi funkcionlis genomika rendkvl gyors fejldse a komplex anyagcsere folyamatnhny elemt mr felfedte, gy pl. a transzport rendszer molekulris elemeit s ezek szablyozst. 2. A nitrt felvtelnek szablyozsaA nitrt transzporter gnek (NRT) fknt gykerekben expresszldnak s mind pozitv, mind negatv

visszacsatolssal szablyozottak. A nitrt transzporterek gnjeinek transzkripcijt a NO3-jelenlte indtja meg,a NO3- felhalmozdsa a szvetekben pedig a transzkripci csillaptst eredmnyezi.A NO3- felvtelt kt fggetlen rendszer, a HATS (HATS: high-affinity transportes system) s a LATS (LATS:low-affinity transportes system) szablyozza.

- affinits transzporterekbiztostjk a NO3- felvtelt.A ksrletek eredmnyei szerint a HATS csoporton bell kt tpus, a konstitutv(cHATS) s az induklhat (iHATS) ltezik. Elbbi lp elszr mkdsbe s lass tem NO3- felvtelt

biztost, majd ezt kveti a gyorsabb felvtelt biztost iHATS. -lp mkdsbe.Figure 3.2. 3.2. bra: A NR aktivitsa levlben s gykrben a NO3 - ellts

fggvnyben

A reduklt N-formk (NH4+, aminosavak) jelenlte gtolja, a napi ciklus s a fny intenzitsa befolysolja aNO3- felvtelt. A bels jelrendszer feladata az, hogy a nvny N -ignye s a N-felvtel kztti sszhangotmegteremtse. Ha a nvnyben N-hiny jelentkezik, a nvny nveli N-felvev kpessgt oly mdon, hogy a N-transzport represszijt tmenetileg cskkenti. Nem limitlhat N-ellts esetn ugyanis a N-metabolitokfelhalmozdsa gtolja a N-transzportot. Ismtelt j N-elltsra jra jelentkezik a visszacsatolsos gtls.Kt gncsald kdolja a kis (NRT1) s a nagy (NRT2) affinits NO3- transzporter rendszerhez tartozproteineket. A kt transzporter csald szerkezetben vannak hasonlsgok, de aminosav szinten nincshomolgia. A kis affinits NO3- transzporter gnek kzl elszr a chl1 gnt azonostottk klort rezisztens,

mutns Arabidopsisbl (a klort a NO3- analgja, a NR toxikus kloritt reduklja).


21/84



Az AtNRT1.1. gn egy 590 aminosavbl ll proteint kdol, mely felteheten 12 domnt tartalmaz. Erre atranszporterre ketts affinits jellemz, melyet foszforills, illetve de-foszforills szablyoz. Hrom tovbbiAtNRT1 gnt azonostottak Arabidopsisban: AtNRT1.2, AtNRT1.3 s AtNRT1.4, melyek aminosav szinten 36-51- s 42%-ban azonosak az AtNRT1.1-el. AtNRT1 heterolg prbkkal ms fajokban is azonostottak NO3-transzportereket (3.1. tblzat).Figure 3.3. 3.1. tblzat: Az NRT1 nitrt transzporter gncsald tagjai

Az AtNRT1.1 gn szerepe a NO3- felvtelben kevsb tisztzott. Korbban konstitutvnak vltk, de az jabberedmnyek szerint nagyon alacsony koncentrcij NO3-_al is induklhat. A jelensg rszben az AtNRT1.1gn ketts affinitsval, rszben az NRT1 csald ms, konstitutv tagjainak AtNRT1.2 s AtNRT1.4 jelenltvelmagyarzhat. Hangslyozni kell azonban, hogy a NO3- felvtele nem kizrlag transzkripcis szablyozsalatt ll.A NRT2 transzporter csaldA magasabb rend nvnyekben NRT2 gnt elszr Trueman et al. (1996) azonostotta rpban s azta szmosms fajban is megtalltk. Az Arabidopsis megszekvenlsa utn kiderlt, ho gy az NRT2 csaldba ht gntartozik, melyek klnbz kromoszmkon helyezkednek el. Az AtNRT2.1 protein aminosav sorrendjthasznlva az sszehasonlts alapjul, az AtNRT2.2, AtNRT2.3, AtNRT2.4, AtNRT2.5, AtNRT2.6 sAtNRT2.7 proteinek 91, 77-, 88-, 69-, 77- s 57% hasonlsgot mutatnak. Az AtNRT2.5 s az AtNRT2.7 azalacsony rend eukaritk (algk s gombk) proteinjeivel mutat hasonlsgot. Arabidopsisban T -DNSinszercis elemet hasznlva AtNRT2.1 s AtNRT2.2 mutnsokat hoztak ltre. Ezen mutnsok, valamint aszvetspecifikus gnkifejezds elemzsvel tisztzhat az NRT2 gnek szerepe a nvnyek NO3-transzportjban.A magasabb rend nvnyekben az NRT2 gnek fknt a gykerekben aktvak.Az AtNRT2.7 a fld felettiszvetekben is expresszldott. A NO3- felvtel s az AtNRT2.1 gn expresszija szorosan kapcsolt. AzAtNRT2.1 gnt az alacsony NO3- koncentrci, illetve a nvnyben jelentkez N-hiny induklja. E gncukrokkal is induklhat, vagyis szablyozsa fgg a C-ramlstl is. A fenti eredmnyek,valamint az iHATSaktivitsnak kikapcsolsval vgzett ksrletek mind altmasztjk azt a feltevst, miszerint az AtNRT2.1 sAtNRT2.2 gnek fontos szerepet jtszanak a NO3- felvtelben.A tbbi AtNRT2 gn funkcija mg nemkellen tisztzott.Figure 3.4. 3.2. tblzat: Az Arabidopsis NRT2 gncsald expresszijnak szablyozsa


22/84



A 3.2. tblzat szemllteti a klnbz NRT gnek aktivitsrl szerzett eddigi ismereteket. Az AtNRT2.4 s azAtNRT2.5 gnek pl. folytonos aktivitst mutatnak NO3- hinyos krnyezetben, mg ismtelt NO3- elltsragtldnak. Elkpzelhet, hogy e proteinek a tartalk NO3 - mobilizcijban (pl. vakulumbl) jtszanakszerepet.3. Az ammnium felvtelnek szablyozsaA gykrsejtek NH4+ felvtelt ltalban izotpok (13NH4+; 15NH4+) alkalmazsval vizsglhatjuk. Ha az

(HATS: high-felett a nem telthet, kis affinits transzporter rendszer (LATS: low-affinity transportes system) mkdik.Az ammnium transzporterek gnjeinek felfedezst a metilammniumra (NH4+ toxikus homolgja) rezisztensmutnsok izollsa tette lehetv. A metilammnium felvtelre kptelen mutnsok funkcionliskomplementcija vezetett az els NH4+ transzporter gnjnek felfedezshez.Figure 3.5. 3.3.. bra Az AtAMT1.1 ammnium transzporter sematikus modellje. A D-198-nl tallhat aszparagin az NH4+ kts felttelezhet helye


23/84



Az Arabidopsis genom megszekvenlsval kiderlt, hogy az AtAMT1 gncsald t homolg tagbl, valamintegy tvolabbi rokon AtAMT2 gnbl ll. Ez utbbi egy kb. 500 aminosavbl ll, hidrofb fehrjt kdol s a

baktriumoktl a gombkon s nvnyeken keresztl az llatokig mindentt megtallhat. Az aminosavszekvencia elemzsek eredmnyei alapjn feltehet, hogy egy 11 transzmembrn domn van jelen azeukaritkban s az N-terminusz kls elhelyezkeds (3.3. bra).A nvnyben jelentkez N-hiny szablyozza a gn kifejezdst. Az AtAMT1;1 mRNS szintje jelentsen

megntt, mg az AtAMT1;2 s AtAMT1;3 alig vltozott N -hinyos nvnyekben. Az AtAMT1;1 NH4+rzkenysge arra utal, hogy ez a gn a HATS transzporterek fontos tagja. Amikor a N-hinyos nvnyeknekismt adtak NH4+-ot, vagy aminosavat, a visszacsatolsos (feedback) szablyozs miatt a bza NH4+ -felvtelegyorsan cskkent). A jelensget ms fajoknl is tapasztaltk. Az AtAMT1;1, AtAMT1;2, AtAMT1;3 s azAtAMT2 a gykerekben expresszldik. Eltr AMT homolgokat talltak rizsben (OsAMT1;1 s OsAMT2) s

paradicsomban (LeAMT1;1, LeAMT1;2 s LeAMT1;3). rdekes, hogy a LeAMT1;3 a levelekben is tkletesenexpresszldik.A fny, illetve a fotoszintezis is befolysolja az NH4+ felvtelt, az NH4+ felvtel cscsidszaka anappal/jszaka ciklus fnyszakasznak a vge. Szmos bizonytk van arra, hogy az NH4+ felvtelnektranszkripcis szablyozsa mellett (3.4. bra) a poszt-transzkripcis szablyozs is mkdik, melyben maga az

NH4+ ion is szerepet jtszhat a transzporter aktivitsnak cskkentsvel, vagy a transzporterek szintzisnekgtlsval.Figure 3.6. 3.4. bra: Az AtAMT1.1 ammnium transzporter visszacsatolsos(feedback) szablyozsa. A glutamin az AtAMT1.1 expresszijt gtolja, az NH4+poszt-transzkripcisan szablyoz.

4. A nitrogn asszimilcijaA nitrogn asszimilcija alatt a nitrt ammniumm trtn redukcijt, majd ennek aminosavba plstrtjk. Az anyagcseret genetikai httert lpsenknt kell elemeznnk. A nitrt asszimilci lpsei:


24/84



(NR: nitrt reduktz, NiR: nitrit reduktz, GS: glutamin szintz).A nitrt redukcijaA nitrt redukcijt kt enzim, a nitrt reduktz (NR) s a nitrit reduktz (NiR) katalizlja, mely a NO3 --ot

NO2--t alaktja, majd NH4+ kpzdshez vezet. A NR homodimer, azaz kt azonos alegysgbl pl fel. Az

alegysg 3 polipeptidbl ll, melyek klnbz protetikus csoportokkal, egy flavin adenin dinukleotiddal(FAD), egy hemmel s egy Mo-kofaktorral egszlnek ki. Klnbz NR-mutnsok vizsglata alapjn az NRgneket kt osztlyba sorojuk: a Nia gnek, melyek az apoenzimet, illetve a Cnx (cofactor for nitrate reductaseand xanthine dehydrogenase) gnek, melyek a Mo kofaktort kdoljk. A Nia gnek szma fajonknt vltozik,Arabidopsisban s rpban kettt ismernk. A Mo-kofaktor szintzishez szksges hrom lpst hat Cnx

protein katalizlja.Arabidopsisban az NR aktivits 90 %-rt a Nia2 gn a felels. Mutnsokkal vgzett ksrletek bizonytjk,hogy a nvny normlis fejldshez mgis szksg van a Nia1 gn ltal kdolt NR aktivitsra. A vadgenotpusban a protein aktivitsa folyamatosan vltozik a foszforilci mrtktl fggen s ritkn ri el teljeskataltikus aktivitst. Az NR gnek a gykrben s a hajtsban is kifejezdnek attl fgg mrtkben, hogymennyi NO3- redukldik az adott nvnyi rszben. Az NR gnek mkdst szmos tnyez, gy a NO3-,fny, sznhidrtok, hormonok (pl. citokininek) szablyozza. A Nia gnek expresszijt a NO3- koncentrcimikromolris vltozsa perceken bell induklja, ami arra utal, hogy a NO3- szignlknt is viselkedhet.Ugyanakkor a NO3- asszimilci termkei gtoljk a Nia s a Cnx gnek kifejezdst. Valsznleg a glutamina szignl molekula, de ms aminosavak, illetve az NH4+ is szerepet jtszhat. Az NR gnek tlmkdtetsedohnyban s Arabidopsisban is a levelek NO3- tartalmnak 30-50 %-os cskkenshez vezetett, de nem afokozott NO3- redukci, hanem a gtolt NO3- felvtel miatt.

Nir-mutns nvnyeket nehz ellltani, mert a NO2- toxikus a nvnyre. Ennek ellenre tbb fajban sikerltazonostani a Nir gnt. Arabidopsisban felteheten egy Nir gn van, mg ms fajokban genomonknt kt

pldny tallhat. A fajok kztti szekvencia hasonlsg nagy, 75-80 %-os. A Nir gnek szablyozsa hasonl aNia gnekhez. Az eddigi eredmnyek szerint a NR s a NiR gnek mkdse szorosan koordinlt, ami nemmeglep, hiszen a NO3- asszimilci lezajlshoz mindkt gn termkre szksg van. A nitrogn asszimilcienzimeit, gnjeit s elfordulsuk helyt 3.3. tblzat ismerteti.Figure 3.7. 3.3. tblzat: A nitrogn asszimilci enzimei, gnjei s elfordulsuk helye

5. Az ammnium asszimilcijaAz NH4+ elszr a glutamton rgzl, majd glutamin kpzdik, mely folyamatot a glutamin szintz enzim (GS)katalizl. Ezt kveten a glutamin a Krebs ciklus egyik savval, a 2 -oxoglutarattal reagl, amely kt glutamtkpzdshez vezet. Ezt a lpst a glutamin 2-oxoglutarat amino transzferz (GOGAT) katalizlja. A GS s a


25/84



GOGAT teht egy krfolyamatban szerepelnek, hiszen a kt glutamt egyike visszajut a GS -hez, a msik pedigaz aminosav szintzis folyamatba kapcsoldik be, transzamincival (3.5. bra).A GS enzim kt izoformban tallhatr meg a sejtben, a GS1 a citoplazmban, a GS2 a kloroplasztiszokban. Alevelekben, klnsen a mezofill sejtekben a GS2 a dominns forma, szerepe a nitrt redukcijbl s afotorespircibl felszabadul NH4+ asszimilcijban val rszvtel. (A GS2-hinyos rpa mutnsok

fotorespirci esetn elpusztulnak.) A gykerekben a GS1 a jellemz, br ez az izoforma a levelekben ismegtallhat. Feltevsek szerint ez a forma a NO3- redukcibl szrmaz NH4+ asszimilcijrt felels.Figure 3.8. 3.5. bra: A GOGAT izoenzimek szerepe a levelekben s a gykerekben. Amodell az Arabidopsis mutnsok vizsglatnak eredmnyeire pl (Lancient et al.,2002).

A kloroplasztiszban elhelyezked GS2 enzimet egy nukleris gn, a GLN2, mg a GS1 citoplazma enzimet tbb,fajtl fggen 3-6 gn (GLN1.x) kdolja. A GLN1 gykrbeli expresszija sszahangban van azzal a

megfigyelssel, hogy a hajtsok fel exportlt egyik legfontosabb N-tartalm vegylet a glutamin. A GS2expresszijt a fny, a szacharz s valsznleg az NH4+ fokozza, mg a glutamt s a glutamin jelenltegtolja.A GS1 izoformk exprersszija a klnbz szvetekben a nvny fejlettsgtl s fiziolgiai llapottl isfggen eltr. A levelekben fknt a floem sejtjeiben tallhat. A GS1 expresszija a levl regedse sornfokozdik, mely arra utal, hogy a N remobilizcijban jtszhat szerepet. A GS1 expresszija biotikus sabiotikus stresszekkel is kivlthat. A pillangsokkal szimbizisban l Rhizobiumok ltal megkttt N2asszimilcijban is a GS1 jtszik szerepet. Valszn, hogy a klnbz GS1 gnek ltal kdolt enzime k, aklnbz izoformk, specifikus funkcit ltnak el az egyes szvetekben, illetve fiziolgiai llapotban.Arabidopsisban kt Fd-GOGAT kdol gnt talltak, a GLU1-et, mely fknt a levelekben expresszldik, s aGLU2-t, mely fknt a gykerekben expresszldik, de alacsony szinten a levelekben is megtallhat. A

NADH-GOGAT-ot ismereteink szerint egyetlen gn kdolja, a GLT1 mely levelekben alacsony szinten,gykerekben nagyobb mennyisgben expresszldik. sszegzsknt megllapthat, hogy a GLU1 ltal kdolt


26/84



Fd-GOGAT a fotorespircibl szrmaz NH4+ asszimilcijrt felels a levelekben, mg a GLU2 ltal kdoltFd-GOGAT a levelek s a gykerek elsdleges N-asszimilcijban is rszt vesz. A NADH-GOGAT agykerek elsdleges N-asszimilcijban, klnsen a glutamt szintzisben jtszik szerepet.A magasabb rend nvnyek N-asszimilcijnak fontosabb lpseit szablyoz gneket mr megismertk, ateljes folyamat s annak szablyozsa azonban mg sok ismeretlent tartalmaz. A genomikai kutatsok

eszkztra lehetv teszi ezen gnek megismerst. A N-asszimilciban szerepet jtsz gnek azonostsra sa gnfunkci elemzsre a modell nvnyek szekvenlsa, az induklt mutnsok elemzse j lehetsget knl.A termesztett fajok N-hasznost kpessgben a termszetben elfordul variabilits elemzse azonban msmdszereket is ignyel.


27/84


Chapter 4. A NITROGNHASZNOST KPESSG

Napjainkban a nvnytermeszts jelents mennyisg kls forrst, gy N mtrgyt hasznl fel. Az intenzvmezgazdasgi mvels alatt ll terleteken ezrt komoly gondot okoz a N-szennyezs. Ez bizonyos mrtkigcskkenthet agrotechnikai eljrsokkal, a nvny ignyhez igazod N-elltssal.Ezzel prhuzamosan azonban szksg van a tpanyagot jobb hatsfokkal hasznost fajtk ellltsra, melyeka krnyezetkml nvnytermeszts biolgiai alapjait adjk. A fenntarthat gazdlkods, a krnyezetmezgazdasgi termelsbl add terhelsnek cskkentse, valamint a termels gazdasgossgnak javtsaegyarnt szksgess teszi annak ismerett, hogy termesztett nvnyfajtink milyen hatkonysggalhasznostjk a talajban rendelkezsre ll N-forrst.A krnyezetszennyezs jelentsgt mutatja, hogy a krdssel a Science tudomnyos folyirat is foglalkozott. Aklnbz eredet szennyez tnyezk hatst Scott C. Doney: The Growing Human Footprint on Coastal andOpen-Ocean Biogeochemistry REVIEW, Science 328, 1512 (2010) cikkbl vett brn szemlltetjk.Figure 4.1. 4.1. bra: Scott C. Doney: The Growing Human Footprint on Coastal andOpen-Ocean Biogeochemistry REVIEW, Science 328, 1512 (2010). A sznes nyilak akzvetlen, a fekete nyilak a kzvetett cenba ramlst, a szrke nyilak a klcsnhatst

jellik.

A nvnytermesztsben vilgviszonylatban felhasznlt nitrogn mtrgya mennyisge 2008 -ban 128 millitonna volt (FAO 2008). Ennek a nitrogn mtrgya mennyisgnek az ellltshoz a vilg energiafogyasztsnak 1.2%-t hasznltuk fel. A szkl energia forrsok miatt, s az ebbl kvetkez energiarnvekeds miatt a nitrogn mtrgya gyrts kltsnek tovbbi nvekedse vrhat. Ez a mezgazdasgi

termels gazdasgossgt alapveten rint krds.

A talajba kijuttatott nitrogn mtrgynak azonban egy jelents hnyada nem hasznosul a nvny szmra,hanem a felszni vizekbe, vagy a talajvzbe kerl (4.1. bra), illetve a talaj mikroorganizmusok denitrifikljk sa nitrogn egy rsze (N2O, vagy ammnium formban) a lgkrbe kerl. Brmi legyen is a nvny ltal fel nemhasznlt nitrogn sorsa, az jelentsen terheli, terheli a krnyezetet. Vagyis a magas kltsggel ellltottnitrogn mtrgya jelents hnyadt a krnyezet szennyezsre hasznljuk fel. Az EU25 orszgaiban azveghz hats gzok 9,5%-a mezgazdasgi eredet (Environmental Protection Agency, 2006). Kevssismert, hogy az N2O veghz-hatsa 296-szorosa a CO2-nak (Intergovernmental Panel on Climate Change,2007). rthet s indokolt teht a trekvs, hogy a kijuttatott N-mtrgya hatkonysgt javtsuk, ezltalcskkenthetjk a felhasznlt mennyisget, javthatjuk a termels gazdasgossgt s egyttal a krnyezetterhelst, szennyezst is cskkenthetjk.Az egyes nvny fajok, s a fajon bell a genotpusok kztt jelents klnbsg van a tekintetben, hogy arendelkezsre ll nitrognbl mennyit kpesek felvenni s a nvny szervezetbe jutott nitrognbl mennyiszerves anyagot kpesek ellltani, vagyis milyen a nitrogn hasznost kpessgk.1. A nitrogn hasznost kpessgA nitrogn hasznost kpessget (NUE: Nitrogen Use Efficiency) a nvny ltal megtermelt szerves anyag s anvny szmra rendelkezsre ll sszes felvehet nitrogn hnyadosaknt szmtjuk. A nitrogn hasznostkpessg kt komponensre bonthat: a nitrogn felvtelnek hatkonysgra (NUpE: Nitrogen UptakeEfficiency), valamint a felvett nitrogn hasznosulsnak hatkonysgra (NUtE: Nitrogen UtilizationEfficiency). A kt tnyez szorzata adja a fajtra jellemz nitrogn hasznost kpessg rtkt.


28/84

A NITROGN HASZNOSTKPESSG


Az energia-ignyes Haber-Bosch eljrssal megkttt nitrognbl ellltott mtrgya hasznosulst mutatja a4.2. bra. Galloway s Cowling szerint a kijuttatott mtrgynak csak a felt veszik fel a nvnyek, amelyazutn megoszlik a hasznosul (Harvested) s a tbbi nvnyi rsz kztt. Amennyiben ezt az rtket nvelnitudnnk, annak igen jelents gazdasgi haszna s kedvezkrnyezeti hatsa lenne. Ennek rdekben intenzvkutat munka folyik.Figure 4.2. 4.2. bra: Az energia-ignyes Haber-Bosch eljrssal megkttt nitrognblellltott mtrgya hasznosulsa (Galloway s Cowling, 2002.)

A nitrogn felvtelnek hatkonysgnak szmtshoz ismernnk kell a talaj sszes felvehet nitrogntartalmt, mely rtk a kijuttatott N-trgya mellett fgg a talajban zajl N-feltrds mrtktl. Ez utbbiforrsbl szrmaz nitrogn mennyisge azonos talajtpus esetn is az adott idszak hmrskletti s csapadkviszonyaitl fggen nagyon eltr nagyysg lehet, vagyis a talaj N-szolgltat kpessgnek becslse, illetveszmtsa nehz s kltsges feladat - sok talajminta elemzst kvn s szmtsa hibt rejthet magban. Ezrta nvnyek ltal felvett, illetve hasznostott nitorgnt viszonythatjuk a kiadott mtrgya mennyisghez is,ekkor mtrgya hasznost kpessgrl (FUE: FertilizerUE) beszlnk.Mivel a modern vonalak szelekcija j tpanyag elltottsg terleteken trtnik, rendszeresen a magasinputhoz adaptldott genotpusok kerltek kiemelsre s tovbbszaportsra. Azonban a termkpessg

genetikai variabilitsnak megnyilvnulsa nagyban fgg a N-elltottsgtl. A genotpus x tpanyagelltsklcsnhats ltezst szmos kutat bizonytotta. Tovbb a klnbz agronmiai jellegek kztti korrelciis ersen fgg a N-elltottsgtl.Magas N-elltottsgi szinten a NUE-ben megmutatkoz variabilitst a N-felvev kpessgbeli klnbsgekkelmagyarztk, mg alacsony N-elltottsgi szinten mutatkoz NUE klnbsgeket a N-hasznostshatkonysgban jelenlev eltrsknt rtelmeztk. Mindez arra mutat, hogy szmos gncsald kifejezdsnekmrtke fgg a nvny rendelkezsre ll N mennyisgtl. Szmos kutat szerint lehetsges a genetikaivltozatossg feltrsa s j genotpusok szelektlsa, amelyek a N-asszimilciban rintett enzimek fokozottaktivitst mutatjk.A knockout mutnsokkal (elrontott, clzott mutcival mkdskptelenn tett gnek) vgzett ksrletekeredmnyeibl ismerjk a N-asszimilciban s az azt kvet aminosav szintzisben szerepet jtsz gneket, ez

mg nem jelenti automatikusan a nitrogn hasznost kpessg javtssnak lehetsgt. Szmos nvnyfajbanprblkoztak a kulcsgnek tlmkdtetsvel, ezek nem eredmnyeztek a gyakorlatban hasznlhat varinsokat.Az eddigi leggretesebb eredmny a canola alanin aminotranszferzzal trtnt tarnszformcija, mely el egystresszre indukld s gykrben expresszld promotert helyeztek.A nvnyek nitrogn hasznost kpessgnek javtshoz a N-asszimilci genetikai szablyozsnakmegismersn tl az egsz-nvny szint elemzsek, a krnyezettl fgg fenotpus (N-hasznosts) vizsglatais szksges.2. Kvantitatv genetikai megkzeltsA Hirel s mtsai (2001) ltal kidolgozott quantitatv genetikai elemzs molekulris markerekkel segtheti akomplex jellegek variabilitsban szerepet jtsz gnek azonostst. Az agronmiai s fiziolgiai elemzstquantitatv genetikai megkzeltssel kombinlva lehetv vlik a jelleg expresszijnak szablyozsban


29/84



kulcsszerepet jtsz lkuszok azonostsa. Ez az eljrs lehetv teszi a marker alap szelekci (MAS)alkalmazst a fokozott nitrogn hasznosts fajtk nemestsben.A nvnyek N- hasznost kpessge komplex jelleg, amely a krnyezet N-szolgltat kpessge mellettszmos bels (pl. fotoszintetikus szn-megkts, respirci) s kls tnyeztl fgg. A N- hasznost kpessgelemzsre - nagy gazdasgi jelentsge, valamint nagy genetikai polimorfizmusa miatt - Hirel s mtsai (2001)

modellnvnynek a kukorict vlasztottk. A N-elltsban mutatkoz klnbsgek miatti termsklnbsg a N-hasznost-kpessgbeli eltrsre vezethet vissza. Ez egyttal azt jelenti, hogy a jobb termkpessggenotpusok kivlasztsval a nemest a jobb N-hasznosts genotpusokat emeli ki.Mivel a modern vonalak szelekcija j tpanyag elltottsg terleteken trtnik, rendszeresen a magasinputhoz adaptldott genotpusok kerltek tovbbszaportsra. Magas N-elltottsgi szinten a N-hasznostsbanmegmutatkoz variabilitst a N-felvev kpessgbeli klnbsgekkel magyarzzk, mg alacsony N-elltottsgiszinten mutatkoz NUE klnbsgeket a felvett N hasznostsnak hatkonysgban jelenlev eltrskntrtelmezik. Szmos kutat vlemnye szerint az elmlt 2 vtizedben elrt termsnvekeds a hatkonyabb N -remobilizcibl ered jobb N-hasznostsnak ksznhet.Hirel s mtsai (2001) munkjukban nagy hangslyt fektettek arra, hogy a N aszimilcijban s a zjrahasznostsban szerepet jtsz proteineket s enzimeket kdol gnek is trkpezsre kerljenek. Azagronmiai s fiziolgiai jellegek kztti korrelci tanulmnyozshoz elszr a termst s elemeit befolysolagronmiai jellegek adatbzist hoztk ltre 2 vi szabadfldi ksrletek alapjn. A termssel kapcsolatoskorrelcit alacsony s j N-ellts nvnyekre is szmoltk. A korbbi ksrletekben azt tapasztaltk, hogy a

N-hiny nem befolysolja szignifiknsan a fiatal (virgzsig) kukorica fejldst. A szemteltds ugyanakkornagymrtkben a N-elrhetsg szablyozsa alatt ll. Ezek alapjn felttelezhet volt, hogy a kukoricaszemterm kpessgt a nvny fiatalkori svnyi-N abszorbel s trol kpessge hatrozza meg. A fiatalnvny levelnek nitrt tartalma teht j marker lehet a fokozott termkpessg, illetve nagy szem -N-tartalmgenotpusok szelekcijhoz.Figure 4.3. 4.1. tblzat: A kukorica N-hasznost kpessggel kapcsolatosfiziolgiai

jellegeinek QTL-jei (Hirel, B.Berin, P.Quillere, I.Bourdoncle, W.Attagnant, C.Dellay, C. Gouy, A. Cadiou, S. Retailliau, C. Falque, M. Gallais, A.: 2001.Towards a better understanding of the genetic and physiological basis for nitrogen use

efficiency in maize. Plant Physiol., 125, p.1258-1270.)

Figure 4.4. 4.2. tblzat: A kukorica N-hasznost kpessggel kapcsolatos agronmiaijellegeinek QTL-jei (Hirel, B.Berin, P.Quillere, I.Bourdoncle, W.Attagnant, C.Dellay, C. Gouy, A. Cadiou, S. Retailliau, C. Falque, M. Gallais, A.: 2001.


30/84



Towards a better understanding of the genetic and physiological basis for nitrogen use

efficiency in maize. Plant Physiol., 125, p.1258-1270.)

Mint fentebb is lttuk, az svnyi N asszimilcijban s jrahasznostsban szerepet jtsz enzimek kzl azegyik legfontosabb a GS. Hirel s munkatrsai hipotzise az volt, hogy a NO3 - redukcibl s/vagy a szerves N

jra-hasznostsbl szrmaz ammnium asszimilci mrtke meghatroz jelentsg a NUE -ban. Ezrt aGS-aktivitst markerknt hasznltk a fiziolgiai s agronmiai jellegek kztti korrelci elemzshez.Korbbi vizsglatokbl mr ismert volt, hogy ha a GS1-et tltermeltetik, a N-remobilizci rs elttindukldik, ami a nvny korai elhalshoz vezet. Rizsben s bzban a fokozott, vagy cskkentett GS1 -aktivts kvetkeztben a szemterms s a szem N-tartalma mdosult.Figure 4.5. Argonmiai jellegek tlagai s rklhhetsgk (2 vi szntfldi ksrleteredmnyei)


31/84



Hirel s munkatrsai egyik legrdekesebb eredmnye az 5-s kromoszmn a gln4 citoszol GS-t kdol gnlkuszval egy helyre trkpezd QTL-ek jelents szma. E QTL-ek kz tartozik a szemterms, azezerszemtmeg, levl GS aktivts, NR aktivts s a levl NO3- tartalom QTL-je, ami arra enged kvetkeztetni,hogy a nitrt hozzfrhetsg, valamint az NR s GS ltal katalizlt reakcik a NUE kulcslpsei atermskpzsben. A gln4 lkuszon tallt GS gn konstitutv expresszij mRNS -t, a pGS112-t kdolja akukorica klnbz szerveiben. Miutn ennek transzkripcijt nem befolysolta a NO3 -ellts, hztartsignnek kell tekintennk, mely az ammnia asszimilcirt s/vagy jrahasznostsrt felels.A terms s a levelek nitrt tartalma, valamint a glutamin szintz (GS) aktivitsa kztt pozitv, mg a nitrtreduktzzal (NR) negatv korrelcit talltak. Feltevsk szerint a levelek nitrt akkumulcija, valamint az NRs GS ltal katalizlt reakcik ko-regulltak s a NUE szablyozsnak kulcs elemei. Az 5 -s kromoszma ktlkuszn tallt levl GS-aktivts, levl NR-aktivts s a levl NO3- tartalom hromszoros kolokalizcijamegersti azt a feltevst, miszerint az ammnia-asszimilci folyamatbl szrmaz szignlok klcsnhatnak a

NO3- felvtellel s a NO3- redukcival.Eredmnyeik szerinta levl GS aktivitsa pozitv korrelciban volt a szemtemssel, a szemszmmal s a szemmetabolikus hatkonysgval (GME: grain metablic efficiency) alacsony N -elltottsgi szinten, valamint aszem-N-termssel (GNY) magas N-elltottsgi szinten. Meglep, hogy a GNY s a GME, valamint a N-asszimilcival kapcsolatos hrom vizsglt fiziolgiai jelleg QTL-jei kztt nem talltak koincidencit. Ez arrautal, hogy az elsdleges N-asszimilcihoz s jrahasznostshoz kzvetlenl kapcsold szablyozmechanizmusokon kvl ms szablyoz mechanizmusok is szerepet jtszanak a termsbe szlltd Nmennyisgnek kontrolllsban.Ismert, hogy attl fggen, hogy fiatal vagy ids szvetet vizsglunk a klnbz N-metabolitok relatvmennyisge vltoz lehet. Tovbb a klnbz GS kdol gnek eltr mrtkben expresszldhatnak anvny fejldsi fzistl s fiziolgiai llapottl fggen. Emiatt lehetsges, hogy ms, a termsselkapcsolatos QTL-eket tallnnk, ha ugyanezeket a fiziolgiai paramtereket a nvny ms fejldsistdiumban mrnnk. Ez igaz lehet ms, a N-asszimilciban, illetve jrahasznostsban szerepet jtsz NR,vagy ferredoxin-fgg Glu szintz enzimekre s a nitrt transzporterekre s a transzlokci (GDH s Asn-szintz) enzimeire, melyekre Hirelk nem talltak olyan QTL-eket, amelyek kolokalizlnnak a termssel, vagyelemeivel.Hirel s mtsai (2001) tanulmnyai bizonytottk, hogy a N - hasznost kpessget szmos, egyedileg, vagykzsen hat lkusz kontrolllja, melyek a C s N elrhetsgtl, illetve a nvny fejlettsgi llapottl s akrnyezet N-szogltat kpessgtl fggen differenciltan expresszldnak. Megkzeltsk jdonsga az

agronmiai s a fiziolgiai jellegek prhuzamos tanulmnyozsa a QTL-ek azonostsa rdekben, valamint azokozati sszefggsek integrlt rtelmezse. Mdszerk valsznleg terjedni fog ms nvnyfajok esetn is a


32/84



metabolikus folyamatok szablyozsban, valamint ezeknek a C-asszimilcival val kapcsolatban rintettgnek vagy lkuszok azonostsban, a N-t hatkonyabban asszimill, vagy remobilizl genotpusokatszelektlsa rdekben.Figure 4.6. 4.3. bra: A szemterms s komponensei, valamint a fiziolgiai jellegekQTL-jeinek elhelyezkedse a kukorica RFLP genetikai trkpn. Ovlisszimblumokkal jellve: kk: a levl NO3- tartalma, zld: a levl GS aktivitsa, piros: alevl NR aktivitsa. Az agronmiai tulajdonsgok QTL-jeinek helyt fggleges vonalszimbolizlja. A kromoszma bal oldaln lv vonalak a j N-elltottsg(N+)nvnyekre, mg a kromoszma jobb oldaln lv vonalak a gyenge N-elltottsg(N-)nvnyekre vonatkoznak. Az Io szltl szrmaz kedvez alllformt a (+) jel, akedveztlen alllt a (-) jel szimbolizlja.


33/84


Chapter 5. A KN ANYAGCSEREGENETIKAI ALAPJAIA kn (S) nem tartozik a makro elemek kz, azonban a nvny letben betlttt szerepe miatt fontos, hogymegismerjk a kn-anyagcsere genetikai httert, szablyozst. A kn megtallhat az aminosavakban (ciszteins metionin) s ebbl kvetkezen a fehrjkben. A cisztein a mindentt jelen lv glutation esszenciliskomponense, mely a sejt szmos redox folyamatban szerepet jtszik, emellett a reduklt kn legfontosabbraktrozott formja. A kn sokfle szerves vegyletben elfordul, pl. a tioredoxinokban, a Fe-S proteinekben, aglukozinoltokban, a szulfolipidekben, valamint koenzimknt is fontos elem. A kenet a nvnyek szulft(SO42-) formjban veszik fel.A szulft (SO42-) felvtele s asszimilcija, valamint a klnbz bioszintzis tvonalak szablyozsa anvny ignyvel s a tpanyag hozzfrhetsgvel sszehangoltan trtnik. A klcsnhatsok nagy rsztcsak a legutbbi idk genomikai kutatsainak eredmnyei trtk fel, melyek a SO42 - felvtelnek sasszimilcijnak legfbb lpseire nzve vrakozson fell nagy gncsaldokat trtak fel.A knhiny terms mennyisget s minsget cskkent hatsnak felismerse adott lendletet a knfelvtelnek s asszimilcijnak intenzvebb tanulmnyozshoz. Az utbbi vekben mutatkoz knhinyt alevegbl talajba visszajut kn mennyisgnek cskkense okozza, mely a fosszilis tzelanyagok getsekor

jelentkez S-emisszi szrsnek a kvetkezmnye.Az optimlis nvekedshez s termsminsghez az egyes nvnyfajok jelentsen eltr mennyisg kenetignyelnek. Az szi bzknak pl. 15-20 kg/ha, az olajrepcnek 50 kg/ha a kn-szksglete. Ezt a mennyisgetkorbban biztostotta az atmoszfrbl trtn S-depozci (lelepeds). A 90-es vek elejtl a S-emisszi

jelentsen cskkent, a levegbl a talajba leped S mennyisge mr nem elegend a termesztett nvnyekszmra. Megfelel tpanyag utnptlssal a S-hiny megszntethet.A knhiny tnetei knnyen sszetveszthetek a N-hiny tneteivel, annl is inkbb, mert a N-hasznostkpessg ersen fgg a kiegyenslyozott S-elltstl. A nvnyek optimlis S-elltsa humn egszsggyiszempontbl is fontos krds. A mezgazdasgi termkek S-tartalmnak nvelsre tett erfesztseket azemberi tpllk s az llati takarmny kntartalm eszencilis aminosav tartalmnak alacsony volta motivlja. AS-elltottsg pldul jelentsen mdostja a bzaszem fehrje sszettelt: kn hinyban cskken az emberszmra eszencilis aminosavak, a cisztein s a metionin mennyisge. Ez a cskkent tpllkozsi rtk mellett a glutenin tartalom cskkense miatt a stipari minsget is rontja. A knhiny a protein polimerizcira iskedveztlen hatssal van, ezltal cskkenti a molekula tmeget, ami a tszta rheolgiai tulajdonsgainakmegvltozshoz vezet.1. A szulft felvteleA nvnyek a kn szksgletket elssorban SO4- formban a talajbl felvett knnel elgtik ki, nhny fajazonban kpes a nvny fld feletti rszn keresztl a H2S s a SO2 gzok hasznostsra is. A H2S egyteltdsi folyamatban akkumulldik, ami enzim-katalizlt beplsi folyamatra utal, mg a SO2 talaktsa

SO42- formv az asszimilcis folyamatban trtn felhasznls mrtktl fgg.A kn transzport kezdeti lpse a gykrben a befel, a xilmbe irnyul sugrirny mozgs. Tovbbi influx -efflux (beramls, felvtel kiramls, leads) lpsekre van szksg, amg a kn a xilmbl a sejtekbe, illetvesejten bell s sejtrl-sejtre mozog, amg vgl megrkezik a kloroplasztiszba, a reduktv asszimilci helyre.Jelents a tonoplaszton keresztli kn-mozgs is, hiszen a citoplazma S-homeosztzisnak fenntartsban avakulumban trolt kn meghatroz szerepet jtszik. A kutatsi eredmnyek alapjn az a vlemny alakult ki,hogy klnbz membrnok eltr energetikai viszonyai ellenre ezen transzport lpsek tbbsgrt egyetlengncsald tagjai felelsek. A klnbz transzport rendszerek eltr aktivitsa hatrozza meg a nvny S-llapott s vgeredmnyben a kn-hasznost kpessgt.A szulft (SO42-) sejtbeli akkumulcija a koncentrci grdienssel szemben s a proton transzporttalkapcsolatban trtnik. A kn elssorban szulftion formjban mozog a nvnyben. Bizonyos krlmnyek

kztt a szerves kn vegyletek, pldul. a tri -peptidek, a glutation, vagy a metionin szrmazk, az S-metilmetionin (SMM) vndorlsa is fontos lehet.


34/84

A KN ANYAGCSEREGENETIKAI ALAPJAI


2. A szulft-transzporter csaldAz els szulft transzportereket mutns lesztnek nvnyi cDNS-sel trtnt komplementcijval mutattk kis klnoztk. Hrom SO42- transzporter gnt talltak a trpusi pillangs Stylosanthes fajban s egyet az rpban(Smith et al., 1997). Ezt kveten szmos fajbl azonostottak szulft transzportereket. A legtfogbbvizsglatokat Arabidopsissal vgeztk, de rizsben s Brassica fajokban is lertak SO42 - transzporter gneket. Agncsald az Arabidopsisban, a Brassica fajokban s a rizsben is 14 tagbl ll (Buchner et al., 2004). Napjainkigazonban csak nhny esetben igazoltk a gntermkek funkcijt, br alternatv szubsztrtknt legfeljebb aszelnsav jhet szmtsba. Az Arabidopsis, Brassica s Orisa fajok SO42 --transzportereinek aminosavsszettel hasonlsgaalapjn ksztett evolcis ft az 5.1 bra mutatja be.Figure 5.1. 5.1. bra: A nvnyi szulft transzporterek filogenetikus brzolsa azaminosav sorrend alapjn Arabidopsis, Orisa s Brassica fajokban

A szekvencia hasonlsga alapjn a SO42--transzportereket 5 csoportba lehet osztani. A csoporton bellklnbz funkcij alcsoportok klnbztethetek meg. Az eddig megszekvenlt SO42 -- transzporter gnek

mindegyike nvnyfajtl fggetlenl az 5 csoport egyikbe tartozik s ltalban valamelyik tpusArabidopsis transzporter gn homolgjnak tekinthet. Az a feltevs, hogy valamelyik si fajban gnduplzds trtnt s specilis funkcit betltve mindegyik izo-forma megmaradt.A gnek ersen hidrofb proteint kdolnak, mely 12 transzmembrn hlixbl pl fel. Kt kivteltl eltekintve a

N s C terminlis rgik hosszak, de nincs nagy membrnon kvli hurok.Az 1. csoportSO42--transzporterei nagy affintsak (Km jellemz rtke 110 M). Az eddig vizsglt fajokmindegyiknek hrom, az 1. csoportba tartoz SO42--transzportere van (Takahashi et al., 2003). Az expressziss lokalizcis vizsglatok eredmnye szerint az AtSultr1;1 s az AtSultr1;2 a knnek a gykerekbe trtnfelvtelrt felels. Ezek a gnek azonban ms szvetekben is kifejezdnek, ami azt mutatja, hogy msszervekben is szksg van nagy affinits SO42--transzporterekre. Knhinyos nvnyekben az AtSultr1;1indukldik a legnagyobb mrtkben, ami ennek a gnnek a knhinyos krnyezetben jtszott specilis

szerepre utal.Az 1. csoport SO42--transzportereivel ellenttben a 2. csoport transzporterei kis affinitsak (Km > 0,1 mM).Az Arabidopsisnak, a Brassicanak s a rizsnek is 2-2 gnje van ebben a csoportban, a rizs gn szekvenciinagyobb eltrst mutatnak. Arabidopsisban agn izoformi a vaszkulris szvetekben tallhatak. AtSultr2;1 agykerek s a levelek xilm parenhima sejtjeiben, az AtSultr2;2 a gykr flom s a levl vaszkulris sejtekbenaktvak.A 3. csoport tagjait korbban levl csoportknt emltettk az AtSultr3;1, AtSultr3;2 s AtSultr3;3lokalizcija alapjn. Az Arabidopsis, a rizs s a Brassica gnjeinek csoportosulsa (3;1/3;2, a 3;3/3;4 s a3;5/3;6) azt mutatja, hogy ezek a csoportok az evolci korai szakaszban sztvltak s feltehet, hogyklnbz funkcit tltenek be. A 3. csoport tagjainak expresszis mintzatrl azonban ezideig kevsinformcink van.A 4. csoporttagjait a plasztidokban talltk meg. Feltteleztk, hogy ez a SO42--transzporter felels a szulftionnak a plasztiszokba jutsrt, jabb eredmnyek szerint azonban ez a transzporter a tonoplasztban tallhats mind a befel, mind a kifel irnyul SO42 - mozgsrt felels. Egy ilyen funkcij transzporternagymrtkben elsegti a vakulum trol tartalkol feladatnak elltst.Az 5. csoport tagjai mutatjk a legkisebb homolgit a gncsald tbbi tagjval s kt alcsoportra bonthatk,amelyek meglehetsen klnbznek egymstl. Ezek a transzporterek a tonoplasztban is elhelyezkedhetnek s

jellemz, hogy hinyzik a hossz N- s C-terminlis domnjk.3. A szulft transzporterek expresszijnakszablyozsa s a szulft asszimilcijaA szulft felvtelt alapveten a nvny S-elltottsga szablyozza. S-hinyos krlmnyek kztt akr azellts hinya, akr a megnvekedett S-igny miatt az SO42--felvtele fokozdik, majd az ismt megfelel S-


35/84

A KN ANYAGCSEREGENETIKAI ALAPJAI


ellts hatsra cskken. Ezzel prhuzamosan vltozik a bels SO42- s a reduklt S szrmazkok, mint acisztein s a glutation mennyisge. Tpoldatban nevelt rpa csranvnyek SO42 - -transzporternekexpresszija csak kt napi S-hezs utn ntt meg jelentsen, amikor a sejten belli tartalkok kimerlbenvoltak. Az ismt j kls SO42- ellts hatsra nhny rn bell cskkent a mRNS-ek s a transzporter

proteinek mennyisge s a transzport aktivits, ugyanakkor megntt a szvetek SO42-, valamint cisztein sglutation koncentrcija. Mind a mRNS-ek, mind a proteinek gyorsan lebomlanak.Ezek az eredmnyek egy egyszer negatv visszacsatolsos, vagy de-represszis szablyozsi modellelkpzelst erstik meg, mely szerint elegend S-ellts esetn a SO42--asszimilci vgtermkeinekfelhalmozdsa (pl. glutation s cisztein) represszorknt viselkedik s a gnexpresszi szintjn gtolja a SO42 --felvtelt. Korltozott S-ellts esetn a SO42-- asszimilci vgtermkeinek koncentrcija cskken,represszis hatsuk megsznik, megn a transzporter aktivits, melynek eredmnyeknt fokozdik a SO42 -felvtele.Ezt a modellt egy indukl molekula, az O-acetil-szerin (OAS) bevonsval tovbb fejlesztettk. rpvalvgzett ksrletekbl kiderlt, hogy az OAS gnkifejezdst indukl mg a felttelezetten represszor molekulk

jelenltben is. Az OAS akkor halmozdik fel, amikor elgtelen a felvehet kn mennyisge. Ezenmegfigyelsek alapjn Hawkerford s Smith egy szablyozsi kr modellt dolgozott ki, mely szerint a S-felvtelben s asszimilcijban szerepet jtsz gnek expresszija mind negatv, mind pozitv kontroll alatt

ll. A visszacsatolsos gtls s az OAS ltal kivltott indukci egymssal ellenttesen mdostjk a SO42 --felvtelt s az ingadoz elltstl, illetve a sejt ignytl fggen maximljk a SO42- - felvtelt (Hawkesfor

0010 1a book 03 novenygenetika

Documents